a négyosztályos gimnázium 2. és a nyolcosztályos gimnázium 6. osztálya számára Jarmila Kmeťová Marek Skoršepa Peter Mäčko

a négyosztályos gimnázium 2. és a nyolcosztályos gimnázium 6. osztálya számára Jarmila Kmeťová Marek Skoršepa Peter Mäčko

a négyosztályos gimnázium 2. és a nyolcosztályos gimnázium 6. osztálya számára

ISBN 978-80-8091-279-6 Ez a tankönyv a Szlovák Köztársaság Oktatási, Tudomány-, Kutatásügyi és Sport Minisztériuma támogatásával készült.

2012

Kémia a négyosztályos gimnázium 2. és a nyolcosztályos gimnázium 6. osztálya számára

Jarmila Kmeťová Marek Skoršepa Peter Mäčko

2012

Kémia a négyosztályos gimnázium 2. és a nyolcosztályos gimnázium 6. osztálya számára Chémia pre 2. ročník gymnázia so štvorročným štúdiom a 6. ročník gymnázia s osemročným štúdiom

Szerzők – Autori ©: doc. RNDr. Jarmila Kmeťová, PhD. RNDr. Marek Skoršepa, PhD. Ing. Peter Mäčko Lektorálták – Lektorovali: doc. RNDr. Mária Ganajová, PhD. prof. Ing. Karel Kolář, CSc. doc. RNDr. Miroslav Medveď, PhD. RNDr. Svetozár Štefeček Összeállította – Zostavovateľ: doc. RNDr. Jarmila Kmeťová, PhD. Fordította – Prekladateľ © Mgr. Lacza Tihamér Illusztrációk – Ilustrácie: autori, Fotolia, Š. Ferenc, S. Jeleň, Ľ. Suja

Jóváhagyta a Szlovák Köztársaság Oktatási, Tudomány- és Kutatásügyi és Sportminisztériuma 2012-16478/51852:4-919 szám alatt, 2012 november 14-én mint kémiatankönyvet a négyosztályos gimnázium 2. és a nyolcosztályos gimnázium 6. osztálya számára. A jóváhagyási záradék 5 évig érvényes. Schválilo Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky pod č. 2012 16478/51852:4-919 zo dňa 14. novembra 2012 ako učebnicu chémie pre 2. ročník gymnázia so štvorročným štúdiom a 6. ročník gymnázia s osemročným štúdiom. Schvaľovacia doložka má platnosť 5 rokov. Minden jog fenntartva. A könyv semmilyen része nem használható, reprodukálható és terjeszthető bármilyen módon és eszközzel, legyen az mechanikai, fotográfiai vagy elektronikus, sem nyomtatott, fénymásolt vagy lejegyzés formájában, esetleg informatikai rendszer közvetítésével stb. a jogtulajdonosok előzetes írásos beleegyezése nélkül. Žiadna časť tejto knihy nesmie byť použitá, reprodukovaná ani šírená akýmkoľvek spôsobom a prostriedkami, či už mechanickými, fotografickými alebo elektronickými a to vo forme tlačenej, fotokópií či záznamov, alebo prostredníctvom informačného systému a pod. bez predchádzajúceho písomného súhlasu majiteľov práv.

Kiadó – Vydavateľ © EXPOL PEDAGOGIKA s. r. o. Nyomda – Tlač KASICO, a. s., Bratislava Első kiadás – Prvé vydanie, 2012 ISBN 978-80-8091-279-6

Tartalom SZERVETLEN KÉMIA 1 s-elemek (Kmeťová, J.) 1.1 Hidrogén 1.2 Víz 1.3 s1-elemek 1.4 s2-elemek

7 9 9 13 18 22

2 p-elemek (Kmeťová, J.) 2.1 Alumínium 2.2 Szén 2.3 Szilícium 2.4 Nitrogén 2.5 Foszfor 2.6 Oxigén 2.7 Kén 2.8 Halogének 2.9 Nemesgázok

28 28 33 41 44 49 53 59 65 69

3 d-elemek (Kmeťová, J.) 3.1 Króm 3.2 Mangán 3.3 Vas 3.4 A rézcsoport fémei 3.5 A cinkcsoport fémei

71 74 74 75 78 80

SZERVES KÉMIA 4 A szerves anyagok jellemzése és felosztása (Skoršepa, M.) 4.1 Szén és helye a szerves vegyületek kémiájában 4.2 Kémiai kötések a szerves vegyületek molekuláiban

83 83 84 85 85 87 87 88 89 90 93 94 94 95

4.2.1 Egyes és többszörös kötések 4.2.2 Vegyérték 4.2.3 A kovalens kötések polaritása

4.3 Képletek a szerves kémiában 4.4 Szerves vegyületek szerkezete 4.4.1 Izoméria

4.5 A szerves vegyületek felosztása 4.6 A szerves vegyületek reakciói 4.6.1 A szerves vegyületek reakcióinak a leírása 4.6.2 A szerves vegyületek reakcióinak a felosztása

5 Szénhidrogének 5.1 Alifás szénhidrogének (Mäčko, P.) 5.1.1 Alifás szénhidrogének elnevezése 5.1.2 Alkánok 5.1.3 Alkének 5.1.4 Alkinek 5.1.5 Szénhidrogén-lelőhelyek és a szénhidrogének feldolgozása 5.1.5.1 Földgáz 5.1.5.2 Kőolaj 5.1.5.3 Kőszén 5.1.5.4 A szénhidrogének és a fosszilis fűtőanyagok környezeti hatása

5.2 Aromás szénhidrogének (Skoršepa, M.)

100 100 100 106 110 113 115 115 115 117 118 121

6 Szénhidrogén-származékok (Skoršepa, M.) 6.1 A szénhidrogének halogénszármazékai 6.2 Nitrogéntartalmú szénhidrogén-származékok 6.2.1 Aminok 6.2.2 Nitrovegyületek

6.3 Szénhidrogének oxigénszármazékai 6.3.1 Hidroxivegyületek 6.3.2 Éterek 6.3.3 Oxovegyületek 6.3.4 Karbonsavak

128 129 133 133 135 138 138 147 148 152

7 Laboratóriumi gyakorlatok

158

8 Helyes válaszok

173

Irodalom

178

Magyar-szlovák kisszótár

181

Bevezetés A gimnázium egy újabb évfolyamának diákjai lettetek, egy olyan iskoláé, amely általános műveltsége nyújt, és ebbe beletartozik a kémia is. Ez a tankönyv a kémia két szakterületét – a szervetlen és a szerves kémiát foglalja össze. Mindegyiknek megvan a maga sajátossága, ami elsősorban a szakszöveg feldolgozásmódjában nyilvánul meg. A szerzők azonban arra törekedtek, hogy a tananyag ebben a tankönyvben érthető és érdekes legyen számotokra. A kémiai ismeretek kiválasztása és feldolgozása ebben a tankönyvben megfelel a négyosztályos és a nyolcosztályos gimnázium számára meghatározott tartalmi követelményeknek. A tankönyv törzsanyagát két alapvető részre osztottuk. A tankönyv első része a szervetlen anyagok szerkezetével és tulajdonságaival, a második része a szerves anyagok szerkezetével és tulajdonságaival foglalkozik. Mindkét rész három alapvető alfejezetre oszlik. Az egyes fejezetekben található ismeretek segítenek benneteket abban, hogy megértsétek a szervetlen és a szerves anyagok összetétele, szerkezete, tulajdonságai és felhasználása közötti összefüggéseket, valamint a kémiai reakciók lefolyásának törvényszerűségeit is. A tananyagot tipográfiailag is megkülönböztettük. A törzsanyag mellett kiegészítő tananyag is található, amelyet egy piktogram jelöl és különbözik a színe és a betű mérete is. Bizonyos fejezetekben olyan törzsanyag-részek is vannak, amelyek tartalmilag a környezetszennyezést és a környezetvédelmet érintik. A szövegben ez zöldaláfestéssel szerepel. A kémiai képletek és a kémiai egyenletek jól kiegészítik a törzsanyagot és rámutatnak az anyagok szerkezetére, valamint az anyagok és a folyamatok sokrétűségére. Az anyagszerkezet jobb szemléltetése és megértése érdekében különböző molekulamodell-típusokat soroltunk be. Minden fejezet végén megtalálható a tananyag összefoglalása, az adott téma legfontosabb ismereteinek összegzése. A fejezetek részét alkotják a kérdések és a feladatok is, amelyek megoldása egyfajta visszajelzése annak, hogy a tananyagban foglaltakat mennyire sikerült megértenetek és a felvetett problémákat megoldanotok. A feladatok helyes megoldásait a tankönyv végén, a 8. fejezetben közöljük. Mivel a kémiai a kísérleti tudományok közé tartozik, a tankönyv elmaradhatatlan részét alkotják az iskolai kísérletek. Hogy besorolhatók-e a tanítási órára, azt a tanár dönti el. Számos közülük tartalmilag alkalmas arra, hogy a diákok hajtsák végre, de vannak olyanok is, amelyeket a tanárnak kell bemutatnia. A tankönyvben szereplő tanulói kísérletek elvégezhetők a tanítási órán, de a laboratóriumi gyakorlatokon is. A tankönyvben azonban van egy olyan fejezet is, amely kizárólag a laboratóriumi gyakorlatokon végzendő kísérletekkel foglalkozik. A laboratóriumi gyakorlatok témáit, illetve a kísérleti feladatok változatait úgy válogattuk meg, hogy kapcsolódjanak tankönyv törzsanyagára, de vegyék tekintetbe a kémiai tanulmányaitok során eddig szerzett készségeket is. Természetesen összhangban állnak a kémiai laboratóriumokra és kémiai anyagokra vonatkozó biztonságvédelmi szabályokkal is. Kiválasztásukat, a számukat és a besorolásukat a tanár határozza meg az iskola adottságai és egyéb tényezők alapján. A tankönyv végén megtaláljátok a kísérletek során és a laboratóriumi gyakorlatokon használt vegyszerek jegyzékét azokkal a jelölésekkel egyetemben, amelyek kategorizálják a vegyszereket a kémiai anyagokra vonatkozó jogszabályok alapján. A felhasznált vegyületek elnevezése összhangban áll az IUPAC nevezéktani bizottság ajánlott szabályaival. Kedves diákok, reméljük, hogy a most kézhez kapott tankönyvvel jól tudtok majd dolgozni és segít benneteket abban, hogy jobban megértsétek a szervetlen és a szerves kémiai ismereteket. Arról is meg vagyunk győződve, hogy a tankönyv hozzájárul majd a kémiatanítás minőségének és hatékonyságának a javításához is. A szerzők, 2012

5

Jelmagyarázat definíció

kísérlet

++

kiegészítő tananyag

a tananyag összefoglalása

kérdések és feladatok

Az atomok színe a felhasznált szerkezeti modellekben

6

szénatom

kénatom

hidrogénatom

fluoratom

oxigénatom

klóratom

nitrogénatom

brómatom

foszforatom

jódatom

SZERVETLEN KÉMIA A kémiai elemek kémiai és fizikai tulajdonságainak a sokrétűsége már előrevetíti az előfordulásuk és a felhasználási lehetőségük nagy fokú változatosságát, valamint fontosságukat az élőlények számára. A földkéreg anyagának több mint 98 %-át nyolc elem alkotja, és ebből több mint 57 %-ot a p-elemek, konkrétan az oxigén, a szilícium és az alumínium vegyületei tesznek ki. A földkéreg jobbára alkáli szilikátokból és alumíniumszilikátokból áll (erről bővebben a 2.1. és a 2.2. fejezetben), a földköpeny a vas és a magnézium szilikátjaiból épül fel, a földmag pedig nagy valószínűséggel vasból és nikkelből áll. Az óceánokban (az atomok számát tekintve) a leggyakoribb elemek az oxigén, a hidrogén, a klór, a nátrium, a magnézium. Az emberi szervezetben ezek a következő (gyakoriságuk sorrendjében): hidrogén, oxigén, szén, nitrogén, nátrium, kálium, kalcium, magnézium, foszfor, kén.

1.1 ábra A földkéreg kémiai összetétele

A szervetlen vegyületek a földkéregben jobbára két formában vannak jelen – kőzetekként és ásványokként. A kőzet heterogén szervetlen anyagú természeti képződmény, amely egy vagy több ásványból áll. Összetétele nem fejezhető ki kémiai képlettel (pl. a gránit kvarcból, földpátból és csillámból áll).

1.2 ábra Gránit

Az ásványok többnyire szervetlen anyagú természeti képződmények vagy terméselemek, amelyeknek nagyrészt egyértelmű belső szerkezetük és specifikus kémiai összetételük van, amely gyakran változó, függ pl. a lelőhelytől. Az ásvány összetételét vegyjellel vagy kémiai képlettel fejezhetjük ki. A szervetlen anyagok mellett bizonyos szerves természeti anyagokat (pl. a kőszenet) is besorolnak az ásványok közé. Azokat az ásványokat, amelyeket fémek gyártására használnak, érceknek nevezik (pl. hematit, galenit).

7

Az ásványoknak normális körülmények között szabályos szerkezetük van, kristályokként fordulnak elő. A kristályszerkezet ismerete nagyon fontos az ásványok kémiai és fizikai tulajdonságainak a feltárása szempontjából. Az ásványkristályokat mindenekelőtt az ékszergyártásban széles körben alkalmazzák. Olyan ékszerekben találhatók, amelyek pénzben kifejezhető értéke sokszor rendkívül nagy. A földkéregben mintegy 4 000 ásvány fordul elő, de közülük csak 200 számottevően kőzetalkotó ásvány.

1.3 ábra A halit (NaCl) kristályszerkezete és kristálya

Az emberi szervezetben előforduló elemek kapcsán gyakran hallhatjuk a biogén elem fogalmát. A biogén elemek azok, amelyek nélkülözhetetlenek az élőlények felépítésénél és életműködésük biztosításánál. A biogén elemek két csoportját különböztetjük meg, ezek a következő sémában találhatók. Legfontosabbak a makroelemek, amelyeket alapvető biogén elemeknek is neveznek és az élőlényekben döntő szerepet játszanak. Különböző természetes anyagok: lipidek, szénhidrátok, fehérjék és nukleinsavak alkotórészei.

BIOGÉN ELEMEK Makroelemek

mindegyik az élőlény teljes tömegének több, mint 0,005 %-át alkotja

C, H, O, N, P, S – alapvető biogén elemek (mindegyik az élőlény teljes tömegének több, mint 0,1 %-át alkotja)

Ca, Mg, Na, Cl, K, Fe

Mikroelemek

valamennyi az élőlény teljes testtömegének kevesebb, mint 0,005 %-át alkotja, csak nyomokban fordulnak elő a szervezetben

Cu, Zn, Mn, I, Co, Mo, B, F, Br, Se, As, Si, Li, Al, Ti, V 1.4 ábra A biogén elemek felosztásának sémája

A szervetlen kémia további részeiben néhány kiválasztott elemmel és elemcsoporttal fogunk foglalkozni.

8

s-elemek

1 s-elemek A kémiából az előző évfolyamban tanultakból már tudjátok, hogy a periódusos táblázatban (EPR) az elemeket többféle szempont alapján csoportosíthatjuk. Aszerint, hogy milyen típusú atomi elektronpályákat (orbitálokat) alkotnak az atomok vegyértékelektronjai, megkülönböztetünk s, p, d és f elemeket. Az s-elemek közé tartoznak azok, amelyek atomjaiban a vegyértékelektronok csak az s elektronpályákon találhatók. Ezek a periódusos rendszer 1. csoportjának (s1-elemek), a 2. csoportjának (s2-elemek) elemei és a hélium (1.5 ábra) s-elemek

1.5 ábra Az s-elemek elhelyezkedése az EPR-ben

Ha összehasonlítjuk az s-elemek tulajdonságait, megállapíthatjuk, hogy a hidrogén és a hélium tulajdonságai a többi elemtől jelentősen eltérnek. A hélium a nemesgázokra jellemző tulajdonságokat mutat. A hidrogén számos, a kémiai kötésének módjából adódó tulajdonsága megkülönbözteti egyrészt az alkálifémektől és a halogénektől is, ezért logikusnak tűnik, hogy a helyét az elemek periódusos rendszerében (EPR) kivételesnek tekintsük, és külön foglalkozzunk vele.

1.1 Hidrogén A hidrogén az EPR első tagja, a legegyszerűbb kémiai elem. Atomjainak elektronszerkezete alapállapotban 1 s1, a tömege és az atomi sugara a legkisebb. Három hidrogénizotóp ismert, ezek az atommagban található neutronok számában különböznek. A prócium 11 H (könnyű hidrogén), a deutérium 21 H (D, nehéz hidrogén) és a trícium 31 H (T, radioaktív).

1.1 táblázat A hidrogén alapvető jellemzői

Az atom Elektrone- Moláris Z elektronszer- gativitás tömeg/ kezete (Pauling) g·mol–1 1 Hidrogén 1 1s 2,2 1,0079

Az elem Magyar vegyjele neve H

Olvadáspont/ °C – 259,14

Forráspont Oxidációs /°C szám – 252,87

– I, I

1.6 ábra A hidrogénmolekula modelljei

9

A hidrogén fizikai és kémiai tulajdonságai A hidrogén (H2) színtelen, szagtalan gáz, kétatomos molekulákból áll, a hidrogénatomok között egyes kötés van. Ez a legkönnyebb gáz. A vízben csekély mértékben oldódik. A hidrogént ugyanakkor bizonyos fémek (Mg, Ni, Pd, Pt) vagy ötvözetek nagyon jól „elnyelik”, amit tárolás céljából vagy a hidrogén-üzemanyagú gépkocsikban hasznosítanak. (1.7 ábra)

FÉM

1.7 ábra Hidrogéngáz a fém szerkezetében

A hidrogénatomok közönséges körülmények között labilisak. Stabilisabb elektronszerkezetre tesznek szert a következő módokon: • poláris (HCl) vagy apoláris (H2) kovalens kötést létesítve, • kis elektronegativitású atomtól elektront elvonva H– anion képződése közben, • elektront lehasítva H+ kation képződése közben, amely nem állandó és könnyen kapcsolódik egy szabad elektronpárt tartalmazó molekulához, például:

víz

oxónium kation

A H2 molekulákból álló szabad hidrogén a hidrogénatomok közötti nagy kötési energia következtében kevéssé reakcióképes. A molekuláris hidrogén ezért a legtöbb elemmel csak magasabb hőmérsékleten, besugárzást követően vagy katalizátor jelenlétében reagál. Bizonyos arányban a hidrogén az oxigénnel robbanóelegyet alkot. A hidrogén és az oxigén égésének reakciója nagyon exoterm, víz keletkezik és nagy mennyiségű hő szabadul fel. H < 0 Ezt a kémiai reakciót hasznosítják a hidrogén-oxigén lángban a fémek vágására. Mivel a hidrogén robbanóelegyet alkot, ezt a tulajdonságát a rakéták hajtómotoraiban alkalmazzák. Magasabb hőmérsékleten és katalizátorok jelenlétében a hidrogén egyesül a nitrogénnel, miközben ammónia keletkezik. Ebből aztán például salétromsavat, nitrogéntrágyákat állítanak elő (2. fejezet). H < 0 A hidrogénmolekuláknál (H2) sokkal reakcióképesebbek a hidrogénatomok (H). Amikor a hidrogén reakciói során keletkeznek, redukáló tulajdonságaik érvényesülnek.

10

s-elemek

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

A hidrogénatom nagyobb reakcióképessége és oldékonysága bizonyos fémekben lehetővé teszi, hogy ezeket a fémeket katalizátorokként alkalmazzák. Ezeknek a fémeknek (Pd, Pt stb.) a jelenlétében a hidrogén reakciói gyorsabban mennek végbe. KÍSÉRLET Réz(II)-oxid reakciója hidrogénnel Spirális alakú rézhuzalt behelyezünk a spirituszégő lángjába és megvárjuk, amíg fekete réz(II)-oxid bevonat nem képződik rajta. Az izzó spirált ezután belemerítjük a képződő hidrogéngázba és megfigyeljük. A réz redukálódik a réz(II)-oxidban és a spirál ismét vörösesbarna színű lesz. Hidrogén előállítása A hidrogént laboratóriumi körülmények között leggyakrabban valamilyen közönséges fém és savak vagy hidroxidok reakciójával állítják elő.

A hidrogént ezzel a módszerrel a Kipp-készülékben (1.8 ábra) állíthatjuk elő, amelynek előnye a gáz folyamatos fejlesztése, a folyamat félbeszakíthatósága és az egyszerű kezelés.

H2 Zn HCl

1.8 ábra Kipp-készülék

A hidrogént laboratóriumban alkálifém vagy alkáli földfém és víz reakciójával is előállíthatunk. A reakció exoterm.

11

KÍSÉRLET Hidrogén előállítása és kimutatása Előkészítünk egy gázfogó berendezést (1.9 ábra). Néhány cinkszemcséhez a választótölcsérből sósavoldatot csepegtetünk (w = 0,2). A keletkező hidrogént felfogjuk egy megfordított kémcsőben, amelynek a nyílása a víz alatt van. A hidrogénnel töltött kémcsőt ezután nyílásával a gázégő lángjához tartjuk és megfigyeljük a hidrogén reakcióját.

1.9 ábra Gázfejlesztő és gázfogó készülék

A hidrogén felfogásának legegyszerűbb módja, ha 2 kémcsövet nyílásukkal lefelé egymás föle helyezzük.

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

A hidrogén iparilag több módszerrel is előállítható: • kőolajból és földgázból nyert telített szénhidrogének bontásával, pl. a metán hőbontásával, • a vízgőz és izzó szén (koksz) reakciója során ún. vízgáz keletkezik (hidrogén és szén-monoxid keveréke), H > 0 • nátrium-klorid vizes oldatának elektrolízisével. A hidrogén előfordulása és jelentősége A hidrogén a leggyakoribb elem az egész világűrben (az összes atom 91 %-a hidrogénatom) és a harmadik leggyakoribb elem a Földön (az oxigén és a szilícium után az atomok számát tekintve). Előfordul szabad állapotban (a csillagok gázburkában) és vegyületekben lekötve. A hidrogén legnagyobb mennyiségben a vízben lekötve található, amely a földfelszín háromnegyed részét alkotja. A hidrogén a makrobiogén elemek közé tartozik. Az élőlényekben szervetlen vegyületekben (H2O, HCl stb.) és szerves vegyületekben (fehérjék, szénhidrátok, lipidek stb.) lekötve fordul elő. A szerves vegyületekben található hidrogén átvitele az oxigénre fontos energiatermelő folyamat az élőlényekben. Erről majd a következő évfolyamban többet is megtudhattok a kémiaórákon. A hidrogén fontos ipari nyersanyag is. Az előállított hidrogén mintegy 80 %-át az ammóniaszintézisnél, valamint a szerves szintéziseknél hasznosítják. Kiindulási nyersanyag a metanol szén-monoxidból történő előállításánál és a szintetikus benzin gyártásánál. A hidrogén fontos redukálószer. A hidrogénezés (hidrogenizáció, hidrogenizálás) folyamata elválaszthatatlan része a vegyiparnak, a gyógyszeriparnak és az élelmiszeriparnak. A hidrogént piros sávval jelölt nyomásos tartályokban (gázpalackokban) tárolják és szállítják.

12

s-elemek

1.2 Víz A hidrogén és az oxigén leggyakoribb és legjelentősebb vegyülete a víz. Három halmazállapotban fordul elő: gáznemű (vízgőz), cseppfolyós (esőcseppek) és szilárd (jég, hópelyhek) halmazállapotban. A víz része a légkörnek, a talajnak, a kőzeteknek és valamennyi élőlénynek. A földi élet szempontjából a víz nélkülözhetetlen. A víznek biológiai, egészségi, kulturális és esztétikai funkciója van. KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

Az emberi szervezet 65–85 % vizet tartalmaz, amelynek jelentős része a vért alkotja, de megtalálható a sejtek belsejében levő és a sejtközi állomány folyadékaiban is (pl. limfa – nyirok). A szervezetből a légzés során, a verejtékkel vagy a vizeléssel folyamatosan távozik. Ezért nagyon fontos a szervezet számára, hogy rendszeresen pótolja a vizet. Ha nem kielégítő a folyadék-utánpótlás, bekövetkezhet a szervezet dehidratálódása, amelynek tartós egészségi következményei lehetnek (a krónikus vízhiány károsítja a vesét). A szervezet akkor is dehidratálódhat, ha meleg környezetben, a napon tartózkodunk vagy hasmenéssel járó betegségben szenvedünk. Az ember testét dehidratálhatják a vízhajtó hatású anyagok, pl. a koffein vagy az alkohol. A szervezet vízhiánya az embernél szomjúság és fejfájás formájában jelentkezik. Az elégtelen vízbevitel hoszszabb távon a bőr kiszáradásában és ráncképződésben nyilvánul meg. A kellő vízbevitel segíti a szervezetben felgyülemlett káros anyagcseretermékek és méreganyagok (alkohol stb.) sokkal gyorsabb kiürítését. Egy felnőtt embernek napi 2-3 liter, 12–15 °C optimális hőmérsékletű tiszta vizet kellene meginnia. Előnyösebb volna szén-dioxidmentes víz fogyasztása.

1.10 ábra A Föld vízburka – 99 % tenger, óceán és jégtakaró, 0,7 % felszínalatti víz, 0,2 % folyók, tavak

A víz fizikai és kémiai tulajdonságai A víz normális körülmények között színtelen, íztelen és szagtalan folyadék. Olvadás- és forráspontja (0 °C és 100 °C) a Celsius hőmérsékleti skála két alappontja. Ha a víz megfagy, megnő a térfogata (majdnem 10 %-kal). A jég úszik a vízen, mert kisebb a sűrűsége mint a cseppfolyós vízé. A víz sűrűsége a hőmérsékletétől függ. A legnagyobb a sűrűsége 3,98 °C-on,  = 1,00 g.cm–3, ami lehetővé teszi az élőlények túlélését a tengerekben és az óceánokban szélsőségesen alacsony légköri hőmérsékleteken is („a víz anomáliája”). A víz különlegessége a molekuláinak a tulajdonságaival kapcsolatos. A vízmolekula az oxigén- és a hidrogénatomok jelentősen eltérő elektronegativitása miatt erősen poláris. A víz ezért is jó oldószere a poláris anyagoknak. A különleges tulajdonságok magyarázata a molekuláit összekapcsoló hidrogénhidak jelenléte. A hidrogénhidak (hidrogénkötések) nemcsak befolyásolják a víz tulajdonságait, hanem az olyan fontos biológiai anyagok szerkezetét is, mint a fehérjék vagy a nukleinsavak. A hidrogénhidak létezésével vagy a vízzel összefüggő mennyiségekkel és állandókkal (a víz ionszorzata, az anyagok oldhatósága, oldékonysági szorzat stb.) már megismerkedhettetek a múlt tanévben a kémiaórákon.

13

A víz sok anyaggal lép reakcióba (pl. az alkálifémekkel és az alkáli földfémekkel ez a reakció nagyon heves), de reakciótermékként is ismert (pl. a közömbösítés során), és nagyon sok anyag oldószere is; sokszor a víz biztosítja a reakcióközeget (anyagok oldatai) stb.

1.11 ábra A vízmolekula modelljei

A víz keménysége A vízben oldott sótartalom alapján megkülönböztetünk lágy és kemény vizet. A víz keménységét főleg a kalcium és a magnézium bizonyos sói okozzák. Megkülönböztetünk: változó vízkeménységet – ezt mindenekelőtt a kalcium-hidrogén-karbonát és a magnézium-hidrogén-karbonát – megemelkedett mennyisége okozza. állandó vízkeménységet – ezt mindenekelőtt a kalcium-szulfát és a magnézium-szulfát megemelkedett mennyisége okozza. A kétfajta keménység adja a víz összkeménységét. A kemény víz nemcsak a háztartásokban, hanem az iparban sem alkalmas felhasználásra. A benne levő sók okozzák az ún. vízkő képződését (1.12 ábra), amelyet olykor kazánkőnek is neveznek. Míg a változó vízkeménységet főzéssel eltávolíthatjuk, az állandó vízkeménységet nem. A változó vízkeménység eltávolításának a lényege az oldódó hidrogén-karbonátok átalakítása oldhatatlan karbonátokká, amelyek vízkő formájában kiválnak. Ezt a folyamatot a következő reakció fejezi ki:

1.12 ábra Vízkő

A víz keménységét csökkenthetjük vagy eltávolíthatjuk, ha nátrium-karbonátot (szódát) adunk hozzá, amikor a karbonát-anionok reakcióba lépnek a víz keménységét okozó kalcium-kationokkal és oldhatatlan kalcium-karbonát keletkezik.

A kalcium-karbonátot – a vízkőt egyszerűen el lehet távolítani citromsav vagy ecetsav (ecet) hozzáadásával, miközben a szerves savak vízben oldódó kalciumsója keletkezik.

14

s-elemek

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

A víz lágyítására vagy a (változó vagy állandó) keménységének az eltávolítására használják az ún. ioncserélőket, amelyek tulajdonságaiknak köszönhetően „megkötik” a víz keménységét okozó nemkívánatos anyagokat. Ezen az elven működnek a háztartásokban is nagyon kedvelt vízszűrő kancsók (1.13 ábra) vagy a vízcsaptelephez közvetlenül kapcsolódó szűrők. Használatosak olyan kiegészítők is, amelyek az ozmózis elvén működnek, ezeket közvetlenül az egyes lakásokba vagy az egész lakóházba bevezetendő vízvezeték csövére szerelik.

1.13 ábra A víz lágyítására szolgáló szűrővel felszerelt kancsó

A vizek fajtáit különböző szempontok alapján osztályozhatjuk. Például: • eredetét tekintve megkülönböztetünk légköri vizet (vízpára és csapadékvíz), felszíni vizet (tengervíz és kontinentális víz) és felszín alatti vizet (közönséges víz, ásványvíz). • a felhasználás célját tekintve megkülönböztetünk ivóvizet, háztartási és ipari vizet (pl. a virágok öntözésére használják) és üzemi vizet (speciális célokra használják, pl. desztillált víz). • a felhasznált víz megnevezése szennyvíz (ipari víz, mezőgazdasági víz). Az ivóvíz fogyasztásra szolgál, tehát ivásra, főzésre. Különböző mennyiségű szervetlen sókat, oldott gázokat (levegőt, oxigént, szén-dioxidot), humin anyagokat, mint ahogyan bizonyos számú baktériumot is tartalmaz. Az ivóvízben előforduló anyagok koncentrációjának eleget kell tennie az előírások által megszabott minimális értéknek. Egészségügyi szempontból kifogástalannak, szagtalannak kell lennie. Az ivóvíz kifogástalan minőségét kémiai és bakteriológiai szempontból is tesztelik. A felszín alatti és a felszíni vizekből utókezeléssel nyerik. A tengermelléki országokban a tengervíz kezelésével is nyernek ivóvizet. A desztillált víz szinte valamennyi oldott anyagtól megfosztott víz. Leggyakrabban desztillálással állítják elő, de speciális szűrök segítségével is. Mindenekelőtt a vegyiparban, a gyógyszergyártásban és a laboratóriumokban alkalmazzák. A mindennapokban pl. a gépjárművek hűtőiben, bizonyos gőzvasalókban használják. A desztillált víz nem alkalmas fogyasztásra. Az ásványvíz az ivóvízhez képest nagyobb koncentrációban tartalmaz szervetlen sókat. Az ásványianyag-tartalom alapján az ásványvizek lehetnek a gyengén ásványosaktól kezdve a nagyon erősen ásványosakig különböző félék. Az oldott gázok és sók típusa alapján az ásványvizek lehetnek szénsavasak, kénesek, jódosok és egyebek. A szennyvíz az iparban, a mezőgazdaságban, a háztartásokban, a kórházakban, a laboratóriumokban stb. keletkezik. A szennyvizet a szennyvíztisztító művekben tisztítják. A nagy vállalatoknak saját szennyvíztisztítóik vannak. A községek a legközelebbi szennyvíztisztító üzembe vezetik a szennyvizet. Az Európai Unió jelenleg érvényes rendelete értelmében minden 10 ezernél nagyobb lélekszámú városnak saját szennyvíztisztító művet kell létesítenie. Ma már a szennyvíztisztító berendezések a háztartásokban is megszokottak. A fejlett országokban a nagy folyók vagy tavak vizének jó öntisztulási képessége ellenére a szennyvizet a szennyvíztisztítókban előbb megtisztítják és csak ezt követően juttatják vissza a természetbe.

15

1.14 ábra Szennyvíztisztító mű Kassán (Košice)

A tisztítóműből kiengedett víz nem lehet környezeti szempontból veszélyes. A szennyvíztisztítókban három szinten tisztítják a vizet: • mechanikusan (a zagy ülepítésével), a szennyeződések mechanikus úton történő eltávolítása, • kémiailag (az oldott nemkívánatos anyagok közömbösítése), • biológiailag (mikroorganizmusokkal történő tisztítás). A vízszennyezés A víz minőségét sok tényező determinálja. A szennyezés kialakulásáért az ipar, a mezőgazdaság, a közlekedés és más emberi tevékenység felelős. A víz minőségét elsősorban lerontó tényezők: • különböző kémiai anyagok – nitrátok (túlzott trágyázás), foszfátok (tisztítószerek), • kőolajszármazékok, • nehézfémek ionjai, • radioaktív hulladék, • szennyvizek, • a cellulóz- és a papírgyártásnál keletkező szennyeződések környezetbe jutása (immisszió). A felszíni és a felszín alatt vizek szennyezésének az okai nemritkán a hulladéklerakók, amelyek építése technológiai szempontból nem volt teljesen rendben. A helytelen szigetelés következtében a káros anyagok előbb a talajba, majd a vízbe kerülnek. Projekttéma-javaslatok: 1. Kidolgozni egy szennyvíztisztító mű modelljét a városotok, községetek számára. 2. A víz egy konkrét anyaggal történt szennyeződésének negatív következményei. 3. Kiértékelni a sótartalmat különböző ásványvízfajtákban és hatásukat az emberi szervezetre.

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • A hidrogén a legegyszerűbb kémiai elem. A leggyakoribb elem a világűrben és a harmadik leggyakoribb elem a Földön (az atomok száma alapján). • A hidrogén a legkönnyebb gáz. Színtelen és szagtalan. • A szabad hidrogén kétatomos hidrogénmolekulaként (H2) fordul elő, amely csak kis mértékben reakcióképes. Sokkal reakcióképesebb az atomos hidrogén (H). • Hidrogént laboratóriumban például egy közönséges fém és sav, vagy egy alkálifém és víz reakciójával állíthatunk elő. • A hidrogén a makrobiogén elemek közé tartozik. Kiindulási nyersanyagként használják, mindenekelőtt ammónia előállítására, továbbá mint rakéta-üzemanyagot vagy mint redukáló szert.

16

s-elemek

• A víz a hidrogén és az oxigén leggyakoribb és legfontosabb vegyülete. • A víz a földi élet szempontjából nélkülözhetetlen. Fontos oldószer, reakciók kiindulási anyaga, reakciótermék és reakcióközeget is biztosít számos anyag és reakció számára. • A víz változó keménységét a kalcium-hidrogén-karbonát és a magnézium-hidrogén-karbonát okozza. A víz állandó keménységét a kalcium-szulfát és a magnézium-szulfát okozza. Forralással nem távolítható el.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Válasszátok ki a helyes állítást. A hidrogénatom: a) egy elektron lehasadásával kation, egy elektron felvételével anion keletkezik, b) valamennyi atom közül a legkisebb a tömege és a sugara, c) valamennyi elem közül a legkisebb az elektronegativitása, d) mindig csak egy protont és egy elektront tartalmaz. 2. A természetben a hidrogén három izotóp keverékeként fordul elő. Tüntessétek fel a táblázatban ezeknek a triviális neveit és egészítsétek ki az elemi részecskék számát Triviális név 1 1

H

2 1

H

3 1

H

p+

n

e–

3. Válasszátok ki a helyes állításokat. A hidrogén: a) a leggyakoribb elem a Föld légkörében, b) a legkisebb sűrűségű gáz, c) az összes gáz közül a legkisebb az olvadás- és a forráspontja, d) használható szintéziseknél, hidrogénezésnél és fűtőanyagként is. 4. 4. A hidrogén színtelen, íztelen és szagtalan gáz. Hányszor könnyebb a hidrogén a levegőnél, ha a levegő közepes relatív molekulatömege 29? 5. Mi volt a leggyakoribb oka a léghajós személyszállítás során (pl. a Zeppelin léghajónál) történt szerencsétlenségnek? 6. A hidrogént besorolhatjuk az EPR 1. és a 17. csoportjába is, mivel nemcsak az alkálifémek tulajdonságaival rendelkezik, hanem a halogénekével is. Az alkálifémekével azonos a vegyértékhéjának elektronszerkezete. A halogénekhez abban hasonlít, hogy elektronszerkezete a legközelebbi nemesgázéhoz közelít, képes H– anionok létrehozására, illetve stabilis kétatomos H– molekulák kialakítására. a) Írjátok le a H+ és a H– ionok elektronszerkezetét. b) Állapítsátok meg a protonok és az elektronok számát ezekben az ionokban. 7. Magyarázzátok meg, miért oldódik a hidrogén olyan rosszul a vízben, míg a hidrogén-klorid nagyon jól oldódik? 8. Az információforrásokban keressétek meg annak a vegyésznek a nevét, aki felfedezte a hidrogént. 9. Kémiai reakcióval írjátok le a víz állandó keménységét megszüntető vagy lágyító folyamat lényegét, amikor nátrium-karbonátot adunk hozzá. 10. Kémiai reakcióval írjátok le a vízkő ecettel, az ecetsav vizes oldatával (w = 0,08) történő eltávolításának lényegi folyamatát. 11. Az információforrásokban keressétek meg az ajánlott kalcium- és magnézium-koncentrációt az ivóvízben, és azt is, milyen egységekben fejezik ki a víz keménységét.

17

1.3 s1-elemek Az EPR 1. csoportjának elemeit – a hidrogén kivételével – alkálifémeknek nevezzük. Ide tartozik: a lítium, a nátrium, a kálium, a rubídium, a cézium és a radioaktív francium. Atomjaik legkülső elektronhéján egy vegyértékelektron található az s elektronpályán. Ezeknek a fémeknek a csoportja onnan kapta a nevét, hogy az elemi fémek a vízzel alkáliák – lúgok, bázisok – képződése közben reagálnak, és régebben oxidjaikat és hidroxidjaikat alkáliáknak nevezték. Ezeknek a fémeknek a tulajdonságairól már tanultatok. Ismeritek a fémes kötés lényegét, a fémek elektrokémiai feszültségsorát (Becket-sor), de a nátrium és a kálium és vegyületeik tulajdonságait is.

1.2 táblázat Az alkálifémek legfontosabb jellemzői

Az elem Magyar vegyelnevezés jele Li Na K Rb Cs Fr

Lítium Nátrium Kálium

Z

Olvadáspont/°C

Sűrűség/ Oxidációs g·cm–3 szám

[He]2s1

1,0

6,94

180,5

0,53

I

11

1

[Ne]3s

0,9

22,99

97,72

0,97

I

19

1

0,8

39,10

63,38

0,86

I

1

0,8

85,47

39,31

1,53

I

1

0,8

132,91

28,44

1,93

I

1

0,7

223

26,85

1,87

I

3

Rubídium 37 Cézium

Elektrone- Moláris Az atomok elektgativitás tömeg/ ronszerkezete (Pauling) g·mol–1

55

Francium 87

[Ar]4s

[Kr]5s

[Xe]6s

[Rn]7s

Az alkálifémek fizikai és kémiai tulajdonságai Az alkálifémek atomjaiban a vegyértékelektron csak gyengén kötődik (az ionizációs energia értéke csekély), ezért könnyen leadják és készségesen képeznek kationokat.

Vegyületeikben az alkálifémek oxidációs száma I. Mivel a fémes kötésben minden atom csak egy elektronnal vesz részt, ezek az ezüstösen csillogó fémek puhák és késsel vághatók. Az 1.2 táblázat alapján egyszerűen megállapíthatjuk, hogy az alkálifémek sűrűségértéke kicsi (közülük jó néhány könynyebb a víznél) és alacsony az olvadáspontjuk is. Az alkálifémek jól vezetik az elektromos áramot és a hőt. Elektronegativitás értékük valamennyi elem közül a legkisebb. Néhány lítiumvegyület kivételével vegyületeiket ionosoknak tekinthetjük. Az alkálifémek legtöbb sója a vízben oldódik.

1.15 ábra Nátrium

Az összes fém közül az alkálifémek a legaktívabbak. Reakcióképességük a csoporton belül az emelkedő rendszámmal arányosan nő. A csoportokban felülről lefelé nő az atomsugár. Minél nagyobb az atom, annál messzebb helyezkedik el az atommagtól a vegyértékelektron és ennek megfelelően gyengébben is kötődik hozzá. Legreakcióképesebb a cézium, amely a legerősebb bázist képezi – a cézium-hidroxidot (CsOH).

18

s-elemek

A rendkívüli reakcióképességük miatt az alkálifémeket a levegőtől elzárva, leggyakrabban petróleumban tárolják, de benzint is használnak erre. A hidrogénhez hasonlóan, készségesen képeznek kationokat, az alkálifémek erős redukálószerek. Az alkálifémek – a lítium kivételével – a vízzel hevesen, sőt robbanásszerűen reagálnak. A nátrium a víz színén gyorsan mozog, a kálium meggyullad, a rubídium és a cézium robbanásszerűen reagálnak. A reakció során az adott fém hidroxidja képződik és hidrogén szabadul fel.

1.16 ábra A nátrium és a víz reakciója

KÍSÉRLET A nátrium és a víz reakciója, avagy a nátrium-jojó Egy üveghengerbe 1:1 arányban két nem keveredő folyadékot öntünk, amelyek közül az egyik víz, a másik pedig egy víznél kisebb sűrűségű folyadék, a legmegfelelőbb az n-hexán vagy a toluol. A hengerbe egy borsószem nagyságú megtisztított nátriumdarabkát dobunk és megfigyeljük. A nátrium áthalad a szerves oldószer rétegén és a két folyadék határához ütközve ismét kilökődik a felszín irányába. A kísérlet elve a nátrium és a víz heves reakcióján alapul. A keletkező hidrogén egy része gázbuborékok formájában megtapad a nátrium felületén, és ennek következtében a nátrium elindul felfelé egészen a felszínig. A buborékok fokozatosan elszakadnak és távoznak, mire a nátrium ismét süllyedni kezd a két folyadék határához és a folyamat addig ismétlődik, amíg a nátrium elfogy. A kísérlet elnevezése onnan ered, hogy a nátrium mozgása a jojó játékra emlékeztet. A nátrium-hidroxid képződését is egyszerűen kimutathatjuk, ha néhány csepp fenolftaleint adunk a vízhez. A keletkező hidroxid hatására a víz lilás színt kap. A nátrium és a víz reakcióját egy kis üvegkádban is megvalósíthatjuk, amikor a nátrium behelyezése előtt kevés fenolftaleint cseppentünk a vízbe (1.16 ábra).

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

Az alkálifémek közvetlenül reagálnak a levegő oxigénjével, levegőn állva az oxidáció termékei borítják be őket (az oxigén mellett a légköri nedvességgel és a szén-dioxiddal is reagálnak). Az alkálifémek égésekor lítium-oxid, nátrium-peroxid, kálium-, rubídium-, esetleg cézium-hiperoxid keletkezik. A halogénekkel, a kénnel és a hidrogénnel ugyancsak reakcióba lépnek. Az alkálifémek analitikai szempontból fontos tulajdonsága a vegyületeik sajátos lángfestése. A láng színtelen tartományát a lítiumvegyületek kárminvörösre, a nátriumé sárgára, a káliumé téglavörösre, a rubídiumé ibolyára, a céziumvegyületek pedig kékre festik (1.17 ábra).

19

Li

Na

K

Rb

Cs

1.17 ábra Az alkálifémek vegyületei megfestik a lángot

Az alkálifémek vegyületei Nagy reakcióképességük folytán az alkálifémek a természetben elemi állapotban nem fordulnak elő, csak vegyületek formájában. Az alkálifémek oxidációs száma vegyületeikben: I. A leggyakoribbak és a legjelentősebbek a nátrium és a kálium vegyületei, mindenekelőtt a nátrium-klorid, a nátrium-hidroxid és a kálium-hidroxid, a nátrium-karbonát és a nátrium-hidrogén-karbonát. A nátrium-klorid (NaCl) a nátrium legfontosabb vegyülete. Jelentőségét az emberek már az ókorban ismerték. Akárcsak manapság, régen is az élelmiszerek készítésénél és tartósításánál használták a sót. A nátriumgyártás nyersanyaga (a NaCl-olvadék elektrolízise), közben elektrolízissel a klór, a nátrium-hidroxid és a hidrogén is előállítható (a NaCl-oldatának elektrolízise). A nátrium-kloridot a kősó bányászásával vagy a tengervíz elpárologtatásával nyerik. A gyógyászatban használatos a nátrium-klorid izotóniás oldata, amely fiziológiás oldatként ismert (w = 0,9 %). Infúzióként alkalmazzák, sebeket, szemet mosnak vele, és a szemlencsék tárolására is szolgál. KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

A nátrium-klorid az emberi szervezetben sok biokémiai folyamat szabályozója és elindítója is. Befolyásolja az édes íz érzetét, gyengíti a keserű és a savanyú íz érzetét. A túl sok NaCl rendszeres fogyasztása szív-érrendszeri betegségek vagy akár a gyomorrák kockázati tényezője is lehet. A túlzott konyhasó-fogyasztást régen kapcsolatba hozták a magas vérnyomás kialakulásával, de a legújabb tanulmányok szerint csak a hipertóniában (magas vérnyomásban) szenvedők és a túlsúlyosak esetében javasolt a konyhasó bevitelének a korlátozása. A tudományos kutatások alapján készült statisztikák azt mutatják, hogy a bevitt sómennyiség és a vérnyomás között csak a népesség 15 %-a esetében van összefüggés. Egy felnőtt napi nátriumszükséglete 0,5 g, de átlagosan 1,7–6,9 g kerül a szervezetbe. Sok nátriumot tartalmazó élelmiszerek: a füstölt hústermékek, az ömlesztett és a kemény sajtok. A bevitt só mennyiségét úgy is csökkenthetjük, hogy korlátozzuk az élelmiszerek konyhasóval történő tartósítását (inkább a mélyhűtést részesítsük előnyben), kerüljük a túl sós ételeket. A nátrium-hidroxid (NaOH) és a kálium-hidroxid (KOH) fehér, higroszkópos (nedvszívó) kristályos anyag. A vízben mindkét anyag szinte teljesen disszociál, ezért a legerősebb bázisok közé tartoznak. Erős marószerek.

Vegyszerekként kis fehér granulátumok formájában forgalmazzák. A nátrium-hidroxidot iparilag a NaCl oldatának (sólé) elektrolízisével állítják elő. Mindkét hidroxidot a vegyiparban, a szappangyártásnál és a gyógyszeriparban használják. A nátrium-karbonátot (Na2CO3), amelyet szódának is neveznek, a nátrium-hidroxiddal együtt bázis-

20

s-elemek

ként használnak. A több alkálifém-karbonáttal együtt (a lítium-karbonát kivételével) a vízzel úgy reagál, hogy a hidrolízis következtében lúgos kémhatású lesz.

Szappanok előállításánál, az üveggyártásban, vízlágyítóként, valamint a textiliparban és a papírgyártásban használják. Régebben szódaként a mosásnál is alkalmazták. A vizes oldatból mint dekahidrát Na2CO3 · 10H2O, kristályosodik ki az ún. kristályszóda. A poroltókészülék egyik legfontosabb töltőanyaga (más adalékanyagokkal együtt). A nátrium-hidrogén-karbonát (NaHCO3) a nátrium-karbonáttal összevetve a vízben csak kis mértékben oldódik. A további alkálifém-hidrogén-karbonátok nagyon jól oldódnak a vízben. A háztartásban mint étkezési szódát („szódabikarbóna”) használják, közömbösíti a gyomornedvet, amikor savtúltengés alakul ki. Pezsgő porokba is adagolják. A sütőporokban is megtalálható. 150 °C hőmérsékleten elbomlik, a keletkező szén-dioxid fellazítja a tésztát.

Az imént említett vegyületek mellett széles körben alkalmazzák a kálium-kloridot (KCl), a kálium-nitrátot (KNO3) és a kálium-szulfátot (K2SO4), amelyek a káli trágyák fő alkotórészei (többet majd a 2.5. fejezetben). Az üveggyártás során gyakran használnak kálium-karbonátot (hamuzsír, K2CO3). A nátrium-szulfátot (Na2SO4) a papírgyártásnál alkalmazzák. KÍSÉRLET A nátrium-klorid vizes oldatának elektrolízise Az U-csövet egy szorítódióval és egy szorítóval hozzáfogjuk a Bunsen-állványhoz, megtöltjük térfogata háromnegyedéig telített nátrium-klorid-oldattal. Oldalsó kivezetéseihez gumicsövek segítségével behajlított üvegcsöveket csatlakoztatunk. Behelyezzük a szénelektródokat és rákapcsoljuk az egyenáramforrást (vagy egy 4,5 voltos laposelemet). Az elektrolízis során a katódon hidrogén képződik. A katód körül nátrium-hidroxid oldata gyülemlik fel. Az anódon klór válik ki. Az elektrolízis alatt felfogjuk a bomlástermékeket. A katódról távozó hidrogént egy aljával felfelé fordított kémcsőbe gyűjtjük. A jelenlétéről gyúlékonysági próbával győződünk meg (a meggyulladó hidrogén jellegzetes ugató hangot ad). A hidrogén (az oxigénnel egyesülve) víz keletkezése közben elég; ez a kémcső száraz falán páraként csapódik le. A víz jelenlétéről egyszerűen úgy győződhetünk meg, hogy vízmentes réz(II)-szulfátot (CuSO4) szórunk a kémcső falára. Az vizet vesz fel és megkékül, mert réz(II)-szulfát pentahidrát képződik – CuSO4 · 5H2O. Az anódon képződő klórgázt a sárgászöld színe alapján vagy a kémcső alján elhelyezett, keményítőoldattal és kálium-jodid oldatával impregnált papír segítségével mutatjuk ki. A klór kiszorítja a KI-ból a jódot, amely kékre festi a keményítőt. 2KI + Cl2  2KCl + I2 A kísérlet befejezése után kiemeljük az elektródokat és az U-cső két karjába kevés fenolftalein-indikátort cseppentünk. A katód körül, ahol a NaOH gyülemlik fel, a fenolftalein ibolya színbe csap át.

1.18 ábra A nátrium-klorid oldatának elektrolízise 1 – U-cső NaCl oldattal, 2 – szénelektródok, 3 – klór, 4 – megnedvesített jódkeményítő papír, 5 – hidrogén

21

Az alkálifémek előfordulása és felhasználása A nátrium és a kálium a tíz leggyakoribb elem közé tartozik a Földön. A több alkálifém gyakorisága a nátriumhoz és a káliumhoz viszonyítva elhanyagolható. A nátrium és a kálium fő előfordulási helye a tengervíz, a sós tavak, az ásványvizek és a sótelepek. Közismert ásványaik a kősó – halit (NaCl) és a szilvin (KCl). A vegyületek közül ismert a Glauber-só (Na2SO4 · 10H2O) és a chilei salétrom (NaNO3). Az alkálifémeket, mindenekelőtt a nátriumot a szerves szintéziseknél redukálószerként alkalmazzák. A lítium az alumínium-, a cink- és a magnéziumötvözetek alkotórészeként fontos, jelenléte növeli ezek keménységét és ellenálló-képességét. A céziumot a cézium fényelemek gyártására használják. A nátrium kiváló hővezető médium (közeg), amit az atomerőművek hűtésénél hasznosítanak. Nátrium-peroxid és nátriumlámpák gyártásánál is alkalmazzák. A nátrium-klorid olvadékának elektrolízisével állítják elő.

A nátrium és a kálium a fontos biogén elemek közé tartozik. Kationjaik megtalálhatók a sejtekben és a testnedvekben, közreműködnek (főleg a nátrium) az ozmózis szabályozásában és a szervezet sav-bázis egyensúlyának fenntartásában. Ezt az egyensúlyt a foszfát- vagy a hidrogén-karbonátos rendszer biztosítja. Feladatuk a vér helyes kémhatásának (pH-jának) a fenntartása. Az élő szervezetben ez nem lépheti túl a 7–7,8 pH-tartományt. A tartományon kívüli értékek összeegyeztethetetlenek az élettel. Az egészséges ember vérének pH-ja a 7,36–7,44 értékek között mozog (az ún. fiziológiás pH-tartomány). A nátrium- és a kálium-kationok közel 90 %-át a szervezet a táplálékból nyeri. Kiválasztásukat a vese végzi. Számos enzim aktivitását, az idegek érzékenységét és az izomkontrakciót (összehúzódást) is befolyásolják. A membránokon történő transzportfolyamatokban is közreműködnek, befolyásolják a glükóz és az aminosavak felszívódását, vizet szállítanak a sejtekbe. Az állatok szervezetében (az embert is beleértve) a nátrium-koncentráció akár 50-szerese is lehet a kalcium-koncentrációnak. Minden növényi szervezetben ez épp fordítva van. A nátrium-kationok hiánya a szervezetben szomjúságot, fáradtságot, fejfájást és gondolkodási zavarokat okoz, de olykor depressziót is. A nátrium-kationok felhalmozódása (fölöslege) a szervezetben leggyakrabban a gyors vízveszteség, a túlzott izzadás következménye. Noha a kálium-kationok hiánya a szervezetben kevésbé valószínű, az izmok ernyedésével, a vérkeringés, az emésztőrendszer, a szívműködés és az idegrendszer zavaraival járhat. A kálium forrása mindenekelőtt a növényi táplálék és a gombák. A magasabb nátrium- és hidrogén-karbonát koncentrációjú ásványvizek kedvezően hatnak a gyomor és az epeutak betegségeire. Azok az emberek, akik kevesebb Na+ kationt tartalmazó és sok K+, Mg2+ és Ca2+ kationt tartalmazó sót fogyasztanak, sokkal kevésbé vannak kitéve a magas vérnyomás, a szív- és keringési zavarok és a gyomorrák kockázatának.

1.4 s2-elemek Az EPR 2. csoportjának elemei (s2-elemek) közé tartozik a berillium, a magnézium és az alkáliföldfémek: a kalcium, a stroncium, a bárium és a radioaktív rádium. Valamennyi fém. Atomjaikban két vegyértékelektron található az s elektronpályákon. Az alkáliföldfém elnevezés oxidjaik, esetleg hidroxidjaik tulajdonságaira utal, amelyek bázikussága emlékeztet az alkálifémek hidroxidjaira. Az s2-elemek fizikai és kémiai tulajdonságai Az s2-elemek atomjainak sugara az s1-elemekkel összevetve kisebb, vegyértékelektronjaik száma ugyanakkor kétszer több, atomjaik között erősebb a kovalens kötés. Ezért magasabb az olvadáspontjuk és nagyobb a sűrűségértékük is. Keményebbek, de törékenyek. Elektronegativitás-értékeik kicsik, de valamelyest nagyobbak az alkálifémekhez viszonyítva. Elemi állapotban ezek az elemek ezüstfehér vagy szürke fémek.

22

s-elemek

1.3 táblázat Az s2-elemek legfontosabb jellemzői

Az elem Magyar vegynév jele

Z

Az atom elektronszerkezete

Elektrone- Moláris gativitás tömeg/ (Pauling) g·mol–1

Olvadáspont/°C

Sűrűség/ g·cm–3

Oxidációs szám

Be

Berillium

4

[He]2s2

1,6

9,01

1286,85

1,85

II

Mg

Magnézium

12

[Ne]3s2

1,3

24,31

649,85

1,74

II

Ca

Kalcium

20

[Ar]4s2

1,0

40,08

842,00

1,55

II

Stroncium 38

2

0,95

87,62

776,85

2,64

II

2

0,9

137,33

726,85

3,51

II

2

0,9

226,00

700,00

5,50

II

Sr Ba Ra

Bárium Rádium

[Kr]5s

56

[Xe]6s

88

[Rn]7s

Az alkálifémekhez hasonlóan az s2-elemek is készségesen képeznek kationokat. Mivel két elektront hasítanak le, M2+ kationok keletkeznek. A berillium kivételével az s2-elemek többnyire ionos vegyületeket alkotnak. Vegyületeikben oxidációs számuk: II. Mivel az s2-elemek atomjainak vegyértékelektronjai erősebben kötődnek (nagyobb az ionizációs energiájuk értéke), az alkálifémekkel összevetve kevésbé reakcióképesek. A kémiai reakciókban többnyire mint redukálószerek nyilvánulnak meg. A vízzel közvetlenül reagálnak, miközben a hidrogénkationokat redukálják. A reakció azonban korántsem olyan heves, mint az alkálifémek esetében. Az s2-elemek hidroxidjai nemcsak az elemek és a víz reakciója során keletkezhetnek, hanem oxidjaik is hidroxid képződése közben reagálnak a vízzel. Minden hidroxid – a vízben rosszul oldódó Be(OH)2 és Mg(OH)2 kivételével – erős bázis. Figyelemre méltó a Ca(OH)2 oldékonysága a vízben, mert a hőmérséklet emelkedésével csökken. KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

A berilliumot és a magnéziumot laboratóriumi hőmérsékleten is a levegőn tarthatjuk, mert felületükön egy vékony oxidréteg (BeO, MgO) képződik, amely véd a további oxidálódástól. A berillium csak magas hőmérsékleten egyesül az oxigénnel, a magnézium pedig vakító lánggal elég (1.19 ábra). Az oxigénnel reagálva MO oxidok és MO2 típusú peroxidok képződnek. A berillium-oxidot és a magnézium-oxidot magas olvadáspontjuk révén tűzállóanyagokként használják. Az s2-elemek halogenidjei vízben oldódnak a nem oldódó fluoridok kivételével. A kalciumsók a gázégő színtelen lángját téglavörösre, a stroncium sók pirosra, a bárium sók pedig zöldre festik.

1.19 ábra A magnéziumszalag égése

23

Az s2-elemek közül a legfontosabbak a kalcium vegyületei. Ezek közül a kalcium-oxid, a kalcium-hidroxid, a kalcium-karbonát és a kalcium-szulfát. A kalcium-oxid (CaO), amely „égetett mész” néven is ismert, a kalcium-karbonát hőbontásával a mészégetőkben állítható elő:

Elsősorban az építőiparban, de a kohászati iparban és a mezőgazdaságban is (mint trágyát) használják. Vízzel reagálva nagy mennyiségű hő szabadul fel (exoterm reakció), a folyamatot az építőiparban „mészoltásnak” nevezik, a keletkező kalcium-hidroxidot pedig „oltott mésznek”.

égetett mész

oltott mész

A kalcium-hidroxid – Ca(OH)2 – a vízben csak alig oldódó anyag. Vizes szuszpenziója „mésztej” néven ismert, a legolcsóbb lúg. A homokkal együtt alkotják a habarcsot („malter”). Ez a keverék a levegő szén-dioxidjának hatására megkeményedik, kalcium-karbonát keletkezik. A folyamatot „a malter száradásának” is nevezik.

A kalcium-karbonát (CaCO3) a vízben szinte nem oldódik. A természetben a leggyakoribb kalciumvegyület. Két kristályos módosulata fordul elő: a gyakoribb a kalcit (1.20 ábra), a ritkább az aragonit. (Ismert egy 3., mesterségesen előállítható kristályos módosulat is, a vaterit, de ez a természetben nem fordul elő.) A főleg kalcium-karbonátból álló kőzet neve mészkő. A márvány a csiszolható mészkő műszaki megnevezése. A mészkő további szennyezett változatai közé tartozik a kréta, a travertino, a márga stb.

1.20 ábra Kalcit CaCO3 (foto: S. Jeleň)

Az oldhatatlan kalcium-karbonát a szén-dioxidot tartalmazó vízben feloldódik és kalcium-hidrogén-karbonát keletkezik. Jelenléte a víz változó keménységét okozza (1.2. fejezet).

Ez a kémiai reakció mindkét irányban lejátszódik, a kalcium körforgalmát és a karsztosodás folyamatát szemlélteti a természetben. A kalcium-karbonátot az üveggyártásban, a kohászati iparban és az építőiparban hasznosítják. A mészkőből és a szilikát tartalmú agyagból égetéssel cementet gyártanak. Kavicsot és vizet hozzáadva a cementhez különböző betonfajtákat nyernek a kívánt tulajdonságoknak megfelelően. A kalcium-karbonát a víz keménységének eltávolításakor is képződik. A kalcium-szulfát (CaSO4) a vízben rosszul oldódó anyag, és a víz állandó keménységét okozza. A gipszkőből égetéssel eltávolítható a kristályvíz egy része és gipsz (CaSO4 · 1/2H2O) keletkezik, amely víz hozzáadásával megkeményedik, mert ismét dihidráttá alakul át és megnöveli a térfogatát.

24

s-elemek

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

A kalcium egész hegységeket alkot kalcium-karbonát formájában (mészkő), például a Szlovák Paradicsom (Slovensý raj) és a Gömör–Tornai-karszt (Slovenský kras). A mészkő anyagú térségekben sok barlang és szakadék található. Kivételesen aragonitbarlangok is előfordulnak (1.21 ábra). A világon csak kevés helyen vannak, ezek egyike az Ochtinái (Martonháza) aragonitbarlang, Rozsnyótól (Rožňava) nyugatra. Szép mészkőalakzatok vannak benne a mennyezetről lelógó sztalaktitok, az alapról felfelé növekedő sztalagmitok és a kettő összekapcsolódásából keletkező oszlopos sztalagnátok formájában. A karsztalakzatok a szén-dioxidot tartalmazó esővíznek a mészkőre kifejtett hosszú távú hatása nyomán keletkeznek, amikor is vízben oldódó kalcium-hidrogén-karbonát képződik. Ez áthatol a repedéseken a földalatti barlangokba, ahol a kalcium-karbonát a fentebb említett alakzatok formájában kiválik.

1.21 ábra Aragonit CaCO3 (fotó: S. Jeleň) 2

Az s -elemek előfordulása és felhasználása A kalcium és a magnézium, akárcsak a nátrium és a kálium a 10 leggyakoribb elem közé tartozik a Földön. Számos ásvány és kőzet összetevői, a karbonátok közül mindenekelőtt a következőkben: kalcit – CaCO3, magnezit – MgCO3 és dolomit – CaCO3 · MgCO3, a szulfátok közül: gipszkő – CaSO4 · 2H2O és barit – BaSO4. A berilliumot a fúrófejekben használják. Sói mérgezőek. A magnézium megtalálható az alumíniummal együtt a gépkocsi- és a repülőgépiparban használt ötvözetben. Az alumíniummal, rézzel és mangánnal alkotott ötvözetét dúralumíniumnak nevezik. A radioaktív rádiumot a nukleáris medicinában mint radiofarmakont alkalmazzák. A bárium-szulfátot az gyógyászatban kontrasztanyagként használják az emésztőrendszer röntgenvizsgálatánál („röntgenkása”). A magnézium-szulfát (keserűsó) hashajtó szer, de nyugtató hatása is van. Az utóbbi időben a magnézium-szulfátot a szívműködés leállásakor használják a szinuszritmus újraindítására. Alkalmazzák a fenyegető koraszülés megelőzésére is. Többnyire intravénásan adják be. Gyógyhatása van a magnézium-oxidnak is (pezsgő tabletták), amely a gyomorban magnézium-kloriddá alakul át. A kalcium és a magnézium a jelentős biogén elemek közé tartoznak. A kalcium-kationok a vérszérum alkotórészei. A sejtnedvekben a kalcium-kationok koncentrációja jelentősen kisebb, ellentétben a magnézium-kationokkal, amelyek jellegzetes sejtnedv ionok. A magnézium tompítóan hat a központi és a környezeti idegrendszerre, jelenléte fontos az infarktus megelőzése céljából. Kedvezően hat a premenstruációs (menstruáció előtti) szindrómára, enyhíti a depressziót. A kalcium-kationoknak több feladatuk is van a szervezetben. Nélkülözhetetlenek, ahogy a Mg2+ ionok is az idegrendszer és az izmok működésénél. Befolyásolják a sejtmembránok stabilitását és a véralvadást. A kalcium fontos a csontok egészséges fejlődése és növekedése szempontjából, lerakódását a csontokban a D-vitaminnak köszönhető. A kalciumhiány a testben egyebek mellett az angolkór vagy a csontritkulás (oszteoporózis) okozója is lehet. A magnézium a klorofill (zöld növényi pigment) alkotórésze, amely nélkülözhetetlen a fotoszintézisnél. A magnézium jelentős mennyiségben található a banánban, a dióban, a levélzöldségben és a teljes kiőrlésű péksüteményekben. A kalcium fő forrása a tej és a tejtermékek, a különböző szemek és magvak, a dió és a levélzöldség is. A magas kalciumtartalmú ásványvizek közé tartozik a Korytnica, a Baldovská voda és a Fatra. A legtöbb magnézium-kationt a Šaratica tartalmazza, a magnézium-hidrogén-karbonát nagy koncentrációban fordul elő a Magnesia ásványvízben.

25

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • Az alkálifémek ezüstösen csillogó puha fémek. Elektronegativitás-értékük a legkisebb, jobbára ionos vegyületeket alkotnak. • Az alkálifémek nagy reakcióképességűek, készségesen képeznek kationokat. A természetben csak vegyületek formájában fordulnak elő. • Az alkálifémek gazdasági szempontból jelentős vegyületei közé tartozik a nátrium-klorid (konyhasó) és a nátrium-hidroxid. • Az élőlényekben fontos biológiai feladatokat látnak el, az ozmózis nyomás és a sav-bázis egyensúly szabályozói. • A berillium, a magnézium és az alkáliföldfémek: a kalcium, a stroncium, a bárium és a rádium olvadáspontja magasabb és sűrűsége nagyobb, mint az alkálifémeké. A vegyértékhéjukon 2 elektron található, ezek kevésbé reakcióképesek. • Az s2-elemek legjelentősebb vegyületei közé a kalcium-vegyületek tartoznak: a kalcium-oxid, a kalcium-hidroxid, a kalcium-karbonát, a kalcium-hidrogén-karbonát és a kalcium-szulfát. Fontos építőipari nyersanyagok. • A magnézium és a kalcium jelentős biogén elemek.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Válasszátok ki a helyes állítást. Az s-elemek közé tartoznak: a) Li, B, Be, Ba, b) Na, Ca, Rb, K, c) Ra, Mg, Hg, Ca, d) Cs, Ba, Sr, Rn. 2. A kémiai elemek közül válasszátok ki azokat, amelyek az EPR 1. csoportjába tartoznak: Ca, K, H, Li, N, Cl, Na, Rb, Mg, Al, Si, Cs, O, S. 3. Válasszátok ki a helyes állítást. Az alkálifémek: a) puhák és késsel vághatók, b) rosszul vezetik az elektromos áramot, c) nagy az elektronegativitás értékük, d) nagy reakcióképességűek. 4. Válasszátok ki a helyes állítást: Az alkálifémek fő forrása: a) a sótelepek és a tengervíz, b) a földkéreg karbonátjai és szilikátjai, c) a fosszilis fűtőanyagok, d) a szervetlen hamu és az élőlények bomlásának maradványai. 5. Válasszátok ki a helyes állítást. A nátrium-hidroxid és a kálium-hidroxid: a) a levegőn átnedvesednek, higroszkopikusak, b) az erősen maró anyagok közé tartoznak, c) a vízben teljesen disszociálódnak, d) az igen gyenge bázisok közé tartoznak. 6. A nem megfelelő kiemelt szót húzzátok át: a) A nátrium-klorid olvadéka vezeti – nem vezeti az elektromos áramot. b) Az Na2CO3 triviális elnevezése a szóda – mészkő. c) Az alkálifémek hidroxidjai gyenge – erős bázisok. d) A kálium-hidroxidot és a nátrium-hidroxidot a szappan – üveg gyártásánál használják.

26

s-elemek

7. A nátriumvegyületeket széles körben alkalmazzák. Válasszátok ki a párosokat: A) NaHCO3

1) étkezési szóda

B) Na2CO3

2) szappangyártás

C) Na2SO4 · 10H2O

3) Glauber-só

D) NaCl

4) vízlágyítás

E) NaOH

5) fiziológiás oldat

8. Válasszátok ki a helyes állítást. Az s2-elemeknek az s1-elemekkel szemben: a) magasabb az olvadáspontjuk és a sűrűségük nagyobb, b) atomjaikban a vegyértékelektronok száma kétszeres, c) vegyületeik vízben jobban oldódnak, d) nagyobb a reakcióképességük. 9. Válasszátok ki a helyes választ. A klorofill-molekula központi atomja a: a) kalcium, b) kálium, c) magnézium, d) nátrium. 10. Válasszátok ki a helyes állítást. Az égetett mész: a) a kalcium-klorid hőbontásával készül a mészégetőkben, b) a levegőn kiszárítva az oltott mész dehidratációjával készül, c) a hidroxidok közé soroljuk, d) egy oxid, amelyet a kalcium-karbonát hőbontásával gyártanak a mészégetőkben. 11. Válasszátok ki a helyes állítást. a) A Ca2+ kationok kimosódása az emberi szervezetből csontritkulást okoz. b) A nátrium és a kálium kationjai nagy jelentőségűek az emberi agy működése szempontjából. c) A klorofill-molekula központi atomja a stroncium. d) A fiziológiás oldat a nátrium-klorid 0,2 %-os oldata. 12. A stroncium biogén elem. Felgyorsítja például a kén, a nitrogén, a foszfor vegyületeinek a katabolizmusát (lebontását). Közreműködik a csontok és a fogak meszesedésében (kalcifikációjában). Jelenléte az ásványvizekben (Salvator, Vincentka) egyszerű csapadékképző reakciókkal kimutatható. Javasolj néhányat. 13. Kémiai egyenlettel írd le az alábbi folyamatokat: a) a mészoltást, b) a habarcs megszilárdulását. 14. Az étkezési szóda – a szódabikarbóna, vagyis a NaHCO3 a gyomorsavtúltengés elleni készítmények alkotórésze, pl. az ISKRA. Írjátok le a közömbösítést kémiai egyenlettel. Magyarázzátok meg, miért káros az étkezési szóda vagy az azt tartalmazó készítmények túlzott fogyasztása? 15. A magnézium-szulfát-heptahidrát Epsom-sóként is ismert. A gyógyászatban hashajtóként (laxatívum) alkalmazzák. Számítsátok ki, hány % kristályvizet tartalmaz a keserűsó MgSO4 · 7H2O.

27

2 p-elemek A p-elemek közé azokat soroljuk, amelyek atomjaiban a vegyértékelektronok csak az s és a p elektronpályákon (atomorbitálokon) helyezkednek el. Ezek az EPR 13.–18. csoportjában található elemek, a hélium kivételével (2.1 ábra). Nem átmeneti elemeknek is nevezik őket.

A p-elemek atomjai külső héjukon két vegyértékelektront tartalmaznak az s elektronpályákon, a p elektronpályákon 1–6 vegyértékelektron található. A vegyértékelektronok teljes száma megegyezik az EPR főcsoportjának a számával, amelybe az adott elem tartozik. Például a szilíciumatom (Si) vegyértékhéjának az elektronszerkezete 3s23p2, az elem az EPR IV. A főcsoportjában található. A p elektronpályákon elhelyezkedő elektronok számától függően az egyes elemek jelölése p1–p6-elemek. Az elemcsoportok elnevezése számotokra már ismerős a korábbi évfolyamok kémiaóráiról, pl. alkálifémek, alkáliföldfémek, halogének, nemesgázok vagy kalkogének.

A p-elemek tulajdonságai A p-elemek fizikai és kémiai tulajdonságai eltérőek, és ezeket atomjaik elektronszerkezete határozza meg. A p-elemek között vannak kimondottan nemfémes elemek, mint a nemesgázok, a halogének (az asztácium kivételével), a 16. csoport legtöbb eleme, a szén, a nitrogén és a foszfor. A 2.1. ábrán szemléltetett átlóval megszabott határnál helyezkednek el a félfémek, az alattuk levők fémes tulajdonságokkal rendelkeznek. Az elemek fémes tulajdonságai a csoporton belül fentről lefelé haladva nőnek, a periódusokban balról jobbra csökkennek. A nemfémes tulajdonságok ellenkező irányúak. A p-elemek oxidációs számainak értéke a vegyületekben függ az atomjaik már említett elektronszerkezetétől, de azoknak az atomoknak a jellegétől is, amelyekhez kapcsolódnak. Azoknak az elemeknek az atomjai negatív oxidációs számúak, amelyeknek egytől négyig van kevesebb elektronjuk, mint a hozzájuk legközelebbi nemesgáz stabilis elektronkonfigurációja. Pozitív oxidációs számuk van azon elemek atomjainak, amelyeknek egytől négyig van több ilyen elektronjuk. Az egyes csoportokban a rendszám növekedésével (azaz lefelé) növekszik a pozitív oxidációs számok stabilitása és csökken a negatív oxidációs számok stabilitása.

2.1 ábra p-elemek az EPR-ben

A fejezet további részeiben részletesebben is foglalkozunk néhány p-elemmel. Az alumíniumról, a szénről, a szilíciumról, a nitrogénről, a foszforról, az oxigénről, a kénről, a halogénekről és a nemesgázokról van szó.

2.1 Alumínium Az alumínium az EPR 13. csoportjában és a 3. periódusában található. Vele együtt ebbe a csoportba tartozik még a bór, a gallium, az indium és a tallium. A bór kivételével a csoport valamennyi eleme fém.

28

p-elemek

2.1 táblázat Az alumínium legfontosabb jellemzői

Az elem Magyar vegyjeneve le Al

Alumínium

Z 13

Az atom Elektrone- Moláris elektronkonfi- gativitás tömeg/ gurációja (Pauling) g·mol–1 [Ne]3s23p1

1,6

OlvaSűrűség/ Oxidációs dáspont/°C g·cm–3 szám

26,98

660

2,702

III

Az alumínium fizikai és kémiai tulajdonságai Az alumínium ezüstfehér csillogású, könnyű fém. Jól kovácsolható, nyújtható és jól vezeti az elektromos áramot (a réz vezetőképességének kb. a 60 %-át éri el). Tiszta állapotban azonban puha és nem nagyon szilárd, ezért nem alkalmas szerkezeti anyagnak. Erre célra megfelelőbbek az alumínium rézzel, mangánnal, magnéziummal, szilíciummal vagy cinkkel alkotott ötvözetei. Sok helyen alkalmazott alumínium–réz–magnézium ötvözet (amelybe gyakran mangánt is kevernek korrózióvédelem céljából) a dúralumínium (3.2 táblázat).

2.2 ábra Porított és fémalumínium

Az alumíniumot iparilag alumíniumércekből gyártják, ezek közül a legismertebb a bauxit, amelynek összetétele kémiai képlettel kb. így írható le: AlO(OH), azaz alumínium-hidroxid-oxid. Belőle izolálják az alumínium-hidroxidot és ezt magas hőmérsékleten alumínium-oxiddá alakítják át. Az alumíniumot az alumínium-oxid olvadékának elektrolízisével állítják elő 950 °C-on, de nátrium-hexafluor-aluminátot (nátrium-alumínium-hexafluoridot) – kriolitot – adagolnak hozzá, hogy az olvadék hőmérsékletét csökkentsék. Szlovákiában a garamszentkereszti (Žiar nad Hronom) Slovalco üzemben gyártanak alumíniumot. Napjainkban előtérbe kerül az alumínium újrahasznosítása. Az alumínium természetes nyersanyagból – bauxitércből – történő előállításához viszonyítva az újrahasznosítással minden előállított tonna ötvözetben kb. 4 tonna bauxitot és 95 % energiát takarítanak meg.

Az alumínium korrózióálló, a levegőn vékony oxid- és hidroxidréteg képződik a felületén, amely megvédi a további oxidációtól. Ha ez a felületi védőréteg megsérül, az alumínium a levegő nedvességével reakcióba lép és alumínium-hidroxiddá alakul át.

Az alumínium viszonylag reakcióképes fém, amfoter tulajdonságai vannak, a savakkal és a hidroxidokkal egyaránt reagál. A híg nem oxidáló savakkal alumínium-sók és hidrogén képződése közben reagál.

Koncentrált salétromsavban az alumínium passziválódik (erről többet a 2.4. részben). Az alkalikus hidroxidoldatokkal az alumínium melegítve tetrahidroxi-aluminátok képződése közben reagál, és hidrogén szabadul fel.

29

KÍSÉRLET Az alumínium égése a lángban A levegőn hevítve az alumínium magas hőmérsékleten oxidálódik, a reakció nagy hőfejlődéssel jár (exoterm reakció). Egy 40–50 cm hosszú, kb. 0,8 cm átmérőjű üvegcsőbe egy kiskanálnyi alumíniumport szórunk. A cső nyílását 20 cm távolságra a Tecluégő lángjához közelítjük és az alumíniumot a csőből a lángba fújjuk. Megfigyeljük. Az alumínium vakító lánggal ég. Ugyanezt a kísérletet elvégezzük egy alumíniumlapocskával is, amelyet a lángba helyezünk. Megfigyeljük, összevetjük mindkét kémiai reakció lefolyását és az eltérést megindokoljuk. 2.3 ábra Az alumíniumpor égése

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

Az alumínium erős affinitását az oxigénhez és a redukciós tulajdonságait felhasználják bizonyos fémek (Mn, Cr, Co stb.) előállítására, amikor ezek oxidjait magas hőmérsékleten (3 000 °C és efölött) alumíniummal hevítik. Ezen a módon elvonható az oxigén az egyébként nehezen redukálható fémekből is, és viszonylag tiszta fémet kapunk. Ezt a módszert aluminotermiának nevezik. A vegyipari technológiában 1894-től alkalmazzák, a bevezetője Hans Goldschmidt német vegyész volt. Nagyon előnyös az aluminotermiás hegesztés, amely során alumíniumpor és vasoxidok (ún. termit) keverékét alkalmazzák. Meggyújtva a keveréket a spontán exoterm reakció következtében nagy mennyiségű hő keletkezik. Ekkora hőmérsékleten a keletkező vas megolvad és jól ötvöződik. Ezt a módszert a sínek hegesztésénél ma is használják. H < 0 Az alumínium vegyületei Az alumínium-oxidot alumíniumporból a levegőn állítják elő. Ez amfoter anyag, a vízzel nem reagál. Két módosulata ismert:  és . Az -Al2O3 a természetben színtelen ásványként fordul elő, a neve korund, és a keménységéről ismert. A Mohs-féle keménységi skála referenciaásványa, a 9. helyen áll. Néhány színes (színezett) módosulata közismert drágakő – a piros rubin (a színadó szennyeződés a Cr2O3) és a kék zafír (a színezőanyagok az FeO, az Fe2O3 és a TiO2). Az -Al2O3 nehezen olvasztható anyag, a vízben, a savakban és a hidroxid oldatokban sem oldódik. Oldódik viszont a savakban és a hidroxidok oldatában a -Al2O3. Az alumínium-hidroxid fehér, zselés anyag, vízben alig oldódik. Akárcsak az alumínium és az alumínium-oxid, az alumínium-hidroxid is amfoter jellegű. A savakban alumíniumsók formájában oldódik. A hidroxidok oldataival reagálva hidroxo-aluminátok keletkeznek.

KÍSÉRLET Az alumínium-hidroxid előállítása és tulajdonságai Alumínium-hidroxidot az alumínium sók alkalikus hidroxidokkal történő kicsapatásával állítunk elő. Mindkét kémcsőben kb. 1 cm3 alumínium-szulfát oldathoz (c = 0,2 mol.dm-3) hozzáadunk 2-3 csepp nátrium-hidroxid oldatot (c = 2 mol.dm-3). Mindkét kémcsőben az alumínium-hidroxid fehér géles csapadéka vált ki. Az egyik kémcsőbe cseppenként sósavat (1:1) adunk, a másikba nátrium-hidroxid oldatot. Az oldatokat addig adagoljuk, amíg a csapadékok fel nem oldódnak.

30

p-elemek

Az alumínium a halogénekkel alumínium-halogenideket (AlX3) alkot. Az alumínium-fluorid kivételével, amely ionos vegyület, a többi halogenidatom kovalens kötéssel kapcsolódik az alumíniumhoz és dimer molekulákat – Al2X6 – képez. Valamennyi víztelen alumínium-halogenid könnyen hidrolizál, a légnedvesség hatására füstölög. A legismertebb az alumínium-klorid (AlCl3), amely számos alumíniumvegyület előállításának kiindulási anyaga. Az alumínium-fluorid (AlF3) a fémek fluoridjaival reagál, fluor-aluminát komplex vegyületek keletkeznek, pl. a már említett kriolit – nátrium-hexafluorid-aluminát (Na3[AlF6]). KÍSÉRLET Az alumínium-jodid előállítása, avagy hogyan gyújtsunk vízzel tüzet Kitisztított, száraz dörzscsészébe tegyünk egy kiskanál jódot, amelyet finom porrá dörzsölünk. Szórunk hozzá 1,5–2 kiskanál alumíniumport. A keveréket a csészében alaposan öszszekeverjük és egy száraz fémtálkába szórjuk. Pipettával vagy cseppentővel óvatosan néhány csepp vizet adunk a keverékhez. Megfigyeljük a heves exoterm reakciót. Kis idő elteltével a felszabaduló nagy mennyiségű hő hatására a keverék meggyullad. A kémiai reakciót a jód szublimációja kíséri, amelyet a jód ibolyás gőzei jeleznek. Az alumínium és a jód reakciója során alumínium-jodid keletkezik. A víz beindítja (iniciálja) ezt a kémiai reakciót. Vegyi fülkében dolgozzunk!

2.4 ábra. Az alumínium és a jód reakciója

Az alumínium előfordulása és jelentősége, az alumínium vegyületei Az alumínium az oxigén és a szilícium után a földkéreg leggyakoribb eleme. A földkéreg 16 km mélységig 8 % alumíniumot tartalmaz. A természetben csak vegyületek formájában fordul elő, ezek közül a leggyakoribbak az alumínium-szilikátok (többet majd a 2.3. részben). Építőanyaga pl. a csillámnak és a földpátoknak, amelyek a gránit kőzetet alkotják. Az alumíniumot a mindennapi életben széles körben alkalmazzák. Erre érdekes fizikai és kémiai tulajdonságai teszik alkalmassá. Naponta használt tárgyak anyagául szolgál. A háztartásokban ismert például alufóliaként („alobal”), amely vékony alumínium fólia. Ez a termék az alumínium jó kovácsolhatóságának eredménye. Egyes fogkrémekbe alumíniumport kevernek, de festékanyagként is használják. A kohászatban sok fémet aluminotermiával állítanak elő. Ötvözetek formájában a gépjárműipar, a hajógyártás és a repülőgépgyártás fontos szerkezeti anyaga. A tiszta alumínium-oxidból mesterséges drágakövek készülnek. A szintetikus rubint a precíziós műszerekben (órákban, iránytűkben stb.) és különböző célú lézerekben használják. Az alumínium-oxid adszorbensként is szolgál, az alumínium-kloriddal együtt pedig a szerves szintéziseknél katalizátorként alkalmazzák. Az izzadtsággátló kozmetikumokban – antiperspiráns készítményekben az alumíniumvegyületek közül az alumínium-klorid használatos. Az alumínium-szulfátot a textil- és a papíriparban széles körben alkalmazzák, fontos anyaga a derítéses víztisztító eljárásnak. Csávázószerként is ismert. A műszaki szempontból fontos kristályos alumíniumsók közé tartozik elsősorban az alumínium-szulfát-oktadekahidrát– Al2(SO4)3 · 18H2O – és az alumínium-szulfát-dodekahidrát – Al2(SO4)3 · 12H2O, amelyet a gyógyításban sebösszehúzóként használtak („borotválkozó só”). A duzzanatokat és gyulladásokat hatásosan lelohasztja az alumínium-acetát – (CH3COO)3Al, amely az acetátos kenőcs része.

31

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

A két kationt tartalmazó sókat kettős sóknak nevezik. A 12 vízmolekulával kristályosodó kettősszulfátok MIMIII(SO4)2 · 12H2O, amelyek szerkezetében az MI alkálifém, NH+4, MIII = Al, Cr, Fe, – neve timsó. A vizes oldatban önálló ionokra hasadnak. A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • Az alumínium a földkéreg harmadik leggyakoribb eleme. • Elsősorban pozitív III oxidációs számú vegyületek formájában fordul elő. • Az alumínium, az alumínium-oxid és az alumínium-hidroxid amfoter anyagok. Reagálnak a savak és a hidroxidok oldataival is. • Az alumíniumot tulajdonságainak köszönhetően széles körben alkalmazzák a mindennapi életben és az iparban is, elsősorban alapanyagként és szerkezeti anyagként.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1

2.

3.

4. 5. 6.

Válasszátok ki a helyes állításokat. Az alumínium: a) könnyen korrodálódik, b) nagyon jól kovácsolható, c) nagy sűrűség jellemzi, d) rosszul vezeti az elektromos áramot. Válasszátok ki a helyes állítást. Az alumínium ipari előállítása: a) a levegő kizárásával alumínium-oxid grafittal történő redukciójával, b) az alumínium-hidroxid hidrogénnel történő redukciójával, c) az alumínium-oxid elektrolízisével olvasztóadalék jelenlétében, d) az alumínium-oxid szén-monoxiddal történő redukciójával. Válasszátok ki a helyes állítást. Az alumínium a levegőn és a vízben is viszonylag állandó, mert: a) a felszínén egy nagyon ellenálló alumínium-oxid és alumínium-hidroxid réteg keletkezik, b) az alumíniumatomok szerkezetének nagy a sugara, c) a felületén alumínium-szulfid védőréteg alakul ki, d) a periódus további elemeivel összevetve viszonylag kis ionizációs energiája van. Egészítsétek ki az állítást. Az alumíniumgyártás alapanyaga a ……… Számítsátok ki az alumínium százalékarányát az alumínium-oxidban. Ar(Al) = 26,98, Ar(O) = 15,999. Az alumíniumsókat széles körben alkalmazzák. Alkossatok párokat. A) Al2(SO4)3 B) AlK(SO4)2 · 12H2O C) (CH3COO)3 Al D) AlCl3 E) Al2O3

1) borotválkozó só a vérzés megszüntetésére 2) borogatás duzzanatokra és gyulladás ellen 3) izzadsággátló szerek alkotórésze 4) adszorbens 5) víz derítésére szolgáló anyag.

7. Írjátok le az alumínium-hidroxid előállításának kémiai egyenletét alumínium-szulfát és nátrium-hidroxid reakciójával. 8. Javasoljatok módszert szennyezett alumíniumedény vagy alumíniumtárgy tisztítására. 9. Számítsátok ki a 2 g alumíniumból magas hőmérsékleten keletkező alumínium-oxid tömegét. Ar(Al) = 26,98, Ar(O) = 15,999. 10. Nevezzetek meg egy színes korund drágakőváltozatot.

32

p-elemek

2.2 Szén A szén az EPR 14. csoportjában és 2. periódusában található. Vele együtt ebbe a csoportba tartozik még a szilícium, a germánium, az ón és az ólom. A szén tipikus nemfém, a szilícium és a germánium félfém, az ón és az ólom fém. A szén, előfordulását és felhasználását is tekintve, a kémia fejlődését meghatározó elemek egyike. A szén elemi jellegét csak a 18. század végén A. L. LAVOISIER (1743–1794) ismerte fel, aki egyúttal a carbon elnevezést is javasolta (a latin carbo = faszén nyomán), „Traité élémentaire de Chimique” c. tankönyvében a szént az akkor ismert 33 elem közé sorolta.

2.5 ábra Antoine Laurent de Lavoisier 2.2 táblázat A szén legfontosabb jellemzői

Az elem vegyjele

Magyar név

C

Szén

Z 6

Az atom Elektronegati- Moláris tömeg Oxidációs elektronkonfivitás (Pauling) /g · mol–1 szám guráció [He]2s22p2

2,55

12,01

– IV, II, IV

Az elemi szén, amelyet a bioszféra legfontosabb elemének és minden élőlény alapkövének tartanak, a természetben két allotróp módosulat formájában fordul elő – mint grafit és gyémánt. (Az allotrópia az elemeknek az a tulajdonsága, hogy több módosulatban is előfordulnak a természetben.) A szén egy harmadik módosulata is megtalálható csekély mennyiségben a Földön, ez a fullerén, amelyet csak 1985-ben fedeztek fel, de már 1996-ban kémiai Nobel-díjjal tüntették ki R. F. CURL és R. E. SMALLEY amerikai, valamint H. W. KROTO angol kémikust a felfedezésükért. A szén a természetben gyakrabban fordul elő vegyületeiben, főleg szén-dioxid formájában, továbbá mint a kalcium, a magnézium és további elemek karbonátja. A szén fizikai és kémiai tulajdonságai A szén allotróp módosulatai szerkezetüket és a szénatomok elhelyezkedését tekintve eltérnek egymástól. Ezek a különbségek jelentősen befolyásolják kémiai és fizikai tulajdonságaikat. A szén egyes módosulatainak néhány fizikai tulajdonságát a 2.3 táblázat foglalja össze. 2.3 táblázat A szénmódosulatok fizikai tulajdonságainak az összehasonlítása

Tulajdonság/módosulat A kristályok külalakja Keménység Hasadás Olvadáspont Sűrűség / g · cm–3

GYÉMÁNT

GRAFIT

FULLERÉN C60*

színtelen, erős fénytörés

szürkés fekete, réteges, nem átlátszó, fényes

barnás fekete, fényes

nagyon kemény

puha

puha

rossz

jó

jó

nem olvad, 1 500 °C körül levegőtől elzárva grafittá alakul

~ 3 700 °C, levegőtől elzárva

~ 600 °C körül normális nyomáson szublimál

3,51

2,26

1,65

Oldékonyság vízben

nem oldódik

nem oldódik

nem oldódik

Oldékonyság toluolban

nem oldódik

nem oldódik

oldódik

Elektromos vezetőképesség

nem vezeti az elekt. áramot

jól vezeti az elekt. áramot

félvezető

* a fullerének csoportjának legfontosabb tagja

33

A grafit – hatszöges kristályszerkezetű, az atomok vízszintes rétegeket alkotnak és minden szénatom további három szénatommal szorosan kapcsolódik (2.6 ábra). Ezek a rétegek a szabályos hatszögek összekapcsolódásával keletkeznek. Az egyes rétegek között könnyen felszakadó van der Waals-erők hatnak, ezért a grafit könnyen hozzádörzsölődik bármihez és írni lehet vele (az elnevezése is a görög grafein = írni szóból ered). A gyémánthoz viszonyított nagyobb termodinamikai stabilitása ellenére könnyebben hozzáférhető réteges szerkezetének köszönhetően a grafit reakcióképesebb. Az oxigén atmoszférájában 690 °C-nál lángra lobban és szén-dioxiddá ég el.

2.6 ábra A grafit szerkezeti modelljei és grafitszemcsék a kvarcban (fotó: S. Jeleň)

A gyémánt szerkezete (2.7 ábra) nagyon eltér a grafitétól. Minden szénatom négy szomszédos szénatomhoz kötődik, amelyek egy szabályos tetraéder sarkaiban találhatók. A szénatomok sűrű, háromdimenziójú hálószerkezeteket alkotnak, amelyeknek köszönhető a gyémánt szilárdsága és keménysége. A rétegek közötti távolság kisebb, mint a grafit szerkezetében, ezért a gyémántnak nagyobb a sűrűsége. A gyémánt a legkeményebb természetes anyag, a Mohs-féle keménységi skálán a 10. referencia helyen áll. A csiszolt gyémántot briliánsnak nevezik.

2.7. A gyémánt kristályszerkezete és egy gyémántkristály (fotó: S. Jeleň)

A gyémánt nem vezeti az elektromos áramot, ugyanakkor hővezető-képessége szélsőségesen nagy (több mint tízszerese a rézének). A szén gyémánt alakjában kémiailag nagyon ellenálló. 800 °C fölötti hőmérsékleten hevítve oxigén atmoszférájában szén-dioxiddá ég el. A fullerének különböző számú szénatomból felépülő, minimálisan 12 ötszögű és hattagú gyűrűből álló szerkezetek; a legkisebb fullerénben 20 szénatom van. A legismertebb és tulajdonságait tekintve a legérdekesebb fullerén molekula a C60 (2.8 ábra). Nagy stabilitás jellemzi, gömb alakú molekulája a legtökéletesebb a természetben, amely egyúttal a legszimmetrikusabb is.

2.8 ábra A C60 fullerén szerkezeti modelljei és kristálya (fotó: P. Fejdi)

34

p-elemek

A C60 fullerén a szén elméletileg legtisztább lehetséges formája. A molekulának nagy belső térfogata van. A nagyon kemény gyémánttal összevetve nagyon puha. Az egyes molekulákat a kristályszerkezetben van der Waals-erők tartják össze. A tiszta kristályos módosulatok mellett a szén amorf alakzatokban is előfordul a természetben – mint koksz, korom, faszén, csontszén, vérszén és állati szén, aktív szén. Ezeket a formákat összegezve „műszaki”, „amorf” vagy „fekete” kőszénfajtáknak, esetleg „mezomorf szerkezeteknek” is nevezik. Koksz – a szén gyengén grafitos formája, amely a kőszén magas hőmérsékleten, légmentes közegben végrehajtott elszenesítése során képződik. Kb. 90 % C-t, 1 % H-t, 3 % O-t, 0,5–1 % N-t és mintegy 5 % hamut tartalmaz. Az előállított koksz nagy részét (92 %) az acéliparban, a nagyolvasztókban redukáló szerként, illetve fűtőanyagként használják. A barnakőszén elszenesítésével barna kokszot nyernek, amely fekete matt, néhány milliméteres likacsos szemcsékből áll, 15–25 % hamut tartalmaz. A kokszot nemcsak fűtőanyagként, hanem víz szűrésére is lehet használni és fekete festéket is gyártanak belőle. Korom – már az ókortól fogva ismert mint nem fakuló fekete festék, amelyből a kínaiak és az egyiptomiak tintát készítettek. A korom a cseppfolyós szénhidrogének (pl. a paraffinolaj) vagy a földgáz tökéletlen égésekor keletkezik. Mindenekelőtt a gumiiparban használják, mint a kaucsuk aktív töltőanyagát – a gumiabroncsok gyártásánál. Tinta, festékek, papír és műanyagok színezőanyagaként is alkalmazzák. Faszén – a fa zárt térben, levegő kizárásával végzett hevítésével állítják elő nagy vasretortákban, száraz lepárlással. A faszén porhanyós, fekete termék, amelyben még felismerhető a fa sejtszerkezete, könnyen meggyullad és a meggyújtást követően tovább izzik. Elsősorban a réz raffinálására, a sebek kezelésénél mint dezodoráló szert és egyéb orvosi célokra használják. A faszén sajátos fajtája az aktív szén. Finom szerkezetű, jól megtisztított pórusú kemény fából (csonthéjas termésekből, kókuszdió héjából) készül, amely már nem tartalmaz desztillációs maradékot. A cukorgyártásnál mint színtelenítő anyagot, a vegyszerek és a gázok tisztításánál, a levegőt is beleértve, mint szűrőanyagot használják (gázálarcok), továbbá a víz és a szennyvíz kezelésénél alkalmazzák és katalizátorként is fontos. Mindenekelőtt kiváló adszorpciós tulajdonságait hasznosítják. A gyógyszertárakban és a házi patikákban állati szénként szerepel. Csontszén (spódium) – a csontok égetésekor keletkezik, amelyek mintegy kétharmad rész éghetetlen anyagot tartalmaznak. A csontszenet mindenekelőtt oldatok elszíntelenítésre és más szennyezőanyagok eltávolítására használják, kivált a cukorlé tisztítására. Nagy mennyiségben használják fekete pigmentként („csontfekete”) különösen a cipőkrémekben, bőrfestékekben és sablonok festőanyagaként is. Vérszén és állati szén a vér vagy más vágóhídi hulladék kálium-karbonáttal történő hevítésével állítható elő. Kiváló adszorpciós tulajdonságai miatt elsősorban a gyógyászatban alkalmazzák, pl. bizonyos toxinok (méreganyagok) vagy gázok eltávolítására a belekből, illetve emésztési panaszok esetén.

A szén vegyületei A szénatomok könnyen alakítanak ki kovalens kötéseket nemcsak más elemekkel, hanem egymás közt is; ily módon akár hosszú szénláncok is létrejöhetnek – ezekkel a szerves kémia foglalkozik. KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

Az első leírt gáz, amely nem a levegő, a szén-dioxid volt. 1752–54 táján a skót JOSEPH BLACK azonosította és „fixált levegőnek” nevezte el. A gáz a kréta (CaCO3) „súlycsökkenésével” keletkezett vagy a savak hatására a karbonátokból. Kísérletei alapján Black megállapította, hogy a mészkő a mész (CaO) és a fixált levegő (CO2) vegyülete. Hasonló kísérleteket végzett a magnézia-fehérrel (MgCO3) is. Black kimutatta, hogy ez a gáz azonos J. B. van HELMONT holland vegyész „erdei gázával”, amelyet az erjedés és az égés során figyelt meg. Helmont közelebbről is megvizsgálta és színtelen, szagtalan gázként írta le, amely nehezebb a levegőnél. J. BLACK 1757-ben kimutatta, hogy a szén-dioxid a növények fermentációjával, a szén égésekor és az állatok (és az emberek) légzésekor keletkezik.

35

A szén-monoxid színtelen, szagtalan gáz. Könnyebb a levegőnél, a vízben alig oldódik. Erősen mérgező. A szén-monoxid toxicitását az okozza, hogy könnyen rákapcsolódik a hemoglobinra, a vér pigmentjére, amely így elveszíti oxigén-megkötő képességét; a CO vérméreg. A hemoglobin affinitása a szén-monoxidhoz sokkal nagyobb, mint az oxigénhez. A megfulladáshoz ezért a szén-monoxid alacsony koncentrációja is elég. Ha tiszta levegőt vagy csak oxigént lélegzünk be, a szén-monoxid spontán módon leválik a hemoglobinról. Kék lánggal szén-dioxiddá ég el.

2.9 ábra A szén-monoxid molekula modellek

A szén-monoxid a generátorgáz vagy a vízgáz alkotórésze, amelyeket fűtőanyagként hasznosítanak. Fémek előállításakor is keletkezik, amikor oxidjaikat koksszal redukálják. A generátorgázt úgy nyerik, hogy izzó kokszon levegőt vezetnek keresztül. A szén-monoxid a szén tökéletlen égésekor keletkezik.

A vízgázt úgy állítják elő, hogy vízgőzt vezetnek át az izzó kokszon. A szén vízzel történő oxidációja erősen endoterm (hőelnyelő) reakció.

A reakciók túlnyomó részében a szén-monoxid erős redukálószerként vesz részt, pl. a vasgyártásnál (többet a 3. fejezetben).

A szén-dioxid (CO2) színtelen, nem gyúlékony és nagyon állandó, kellemetlen szagú, kissé savanykás ízű gáz. 1,5-ször nehezebb a levegőnél. A szén-monoxiddal ellentétben a szén-dioxid oldódik a vízben, gyenge szénsavat képez. A szén-dioxid oldatának meghatározó részét a vízben hidratált CO2.xH2O molekulák alkotják. Melegítve a szénsav ismét vízre és szén-dioxidra bomlik.

2.10 ábra A szén-dioxid molekula modelljei

A növekvő hőmérséklettel a szén-dioxid oldékonysága a vízben csökken, így főzéssel teljesen eltávolítható a vízből (a változó vízkeménység eltávolítása, 1.2. fejezet). Nem lélegezhető be, de nem mérgező, feltéve, hogy mennyisége a levegőben nem lépi túl a 10 térfogat %-ot. Ezután álmatlanság jelentkezik, öntudatvesztés lép fel és végül az oxigénhiány következtében beáll a halál. Ez okból ajánlatos a borospincékbe égő gyertyával lemenni a must erjedése idején, és ellenőrizni, hogy elegendő oxigén van-e a helyiségben. Ugyancsak ajánlatos elvégezni ezt az ellenőrzést mély kutak ásásakor is, vagy amikor a silóverembe ereszkednek le. A szén-dioxid a légkörben található, ahová az élőlények légzése során, a szerves anyagok lebomlásával, a korhadással és a fosszilis fűtőanyagok, mint a kőszén, a kőolaj és földgáz elégetésével kerül. Bizonyos helyeken a földfelszínről áramlik a levegőbe. A szén-dioxid a légkör tiszta levegőjének 0,03 térfogat %-át alkotja. Oldott állapotban megtalálható a természetes vizekben, mindenekelőtt az ásványvizekben, amelyek olykor jelentős mennyiségben tartalmazzák. A pezsgős italokba, a borokba vagy a sörbe is adagolják. Nagy mennyiségű szén-dioxid van lekötve a karbonátokban.

36

p-elemek

A szén-dioxid a szén oxigénfeleslegben történő tökéletes elégetésekor, a karbonátok hevítéssel vagy savakkal történő elbontásakor, a szénhidrátok alkoholos erjedése során és az elhalt növényi és állati szervezetek bomlásakor (korhadás és rothadás) keletkezik.

KÍSÉRLET A szén-dioxid előállítása és tulajdonságai A laboratóriumban a szén-dioxid többféle kémiai reakcióval állítható elő. A leggyakrabban a karbonátok savakkal történő elbontását alkalmazzák. A szén-dioxidot a Kipp-készülékben állíthatjuk elő és foghatjuk fel (1.8 ábra), vagy egy hagyományos gázfejlesztő berendezés segítségével (1.9 ábra). Összeállítunk egy gázfejlesztő készüléket. A frakcionáló lombikba kalcium-karbonátot szórunk és a választó tölcsérbe sósavoldatot (1 : 1) öntünk. A kalcium-karbonáthoz sósav hozzáadásával elkezd képződni a szén-dioxid. Mivel nehezebb a levegőnél, hagyjuk szabadon kiáramlani a lombik csövén egy üvegkádba. Az üvegkádban két eltérő hosszúságú égő gyertya van. Megfigyeljük. A szén-dioxidot úgy is előállíthatunk, hogy két eltérő hosszúságú égő gyertyát is tartalmazó üvegkád aljára egy nátrium-hidrogén-karbonáttal töltött (kb. 2 g) kis főzőpoharat helyezünk. A kis főzőpohárba ecetet (ecetsavoldatot, w = 0,08) öntünk. Megfigyeljük.

Üvegházhatás A szén-dioxid az egyik olyan gáz, amelynek folyamatosan növekvő koncentrációja a légkörben hozzájárul az ún. üvegházhatás kialakulásához, aminek következtében fölmelegedik a Föld légköre. A földközeli légrétegek átlaghőmérséklete az elmúlt 100 évben 0,5 °C-kal nőtt, ami a tengerszint mintegy 10–20 cmes emelkedésével járt. Ezt a folyamatos felmelegedést globális felmelegedésnek nevezik. Az üvegházhatást okozó gázokat üvegházhatású gázoknak nevezzük. A szén-dioxid mellett ide sorolható főleg a víz vízgőz formájában, a metán, a dinitrogén-oxid, az ózon (bővebben a 2.6. fejezetben) és a freonok. Ezek a gázok elnyelik a földfelszínről infravörös sugárzás formájában visszaverődött hőt, és ezáltal fenntartják légkörünk hőmérsékletét adott hőmérséklet-értékek között, amelyek lehetővé teszik az életet a Földön. Emellett hatásuk biztosítja a Földre érkező és onnan a világűrbe visszavert energia közötti egyensúlyt. De ezeknek a gázoknak a koncentrációja növekszik, a földfelszínre jutó napsugárzást ezek a gázok áteresztik, de a visszaverődött infravörös hősugárzást már elnyelik, melynek következtében nem kerül vissza mind a magasabb légkörbe. Így megbomlik az egyensúly és a földfelszínről kisugárzott hőenergia visszaverődik az üvegházhatású gázok határáról ismét a felszínre. Ezáltal állandóan növeli a földfelszín hőmérsékletét és a légkör átlaghőmérsékletét. A gázok ilyeténképpen mintha az „üvegház fedelét” alkotnák, amely nem gátolja a napsugárzás bejutását, de nem engedi vissza. Innen az „üvegházhatás” és az „üvegházhatású gázok” elnevezés. Az üvegházhatás legfontosabb következményei: • • • • • •

csökken a hőmérséklet-különbség a pólusok és az Egyenlítő között, megnő a hirtelen lezúduló csapadék mennyisége, javulnak a mezőgazdasági feltételek az északi térségekben, a száraz övezetek még szárazabbakká válnak, a félsivatagok elsivatagosodnak, a tengeráramlatok irányt változtatnak (a meleg Golf-áram is), megolvadnak az arktikus és még inkább az antarktiszi jégmezők, ezáltal megemelkedik a világóceán szintje, víz alá kerülnek az alacsony tengerszint feletti magasságú tengermelléki és part menti térségek, erodálódik a partvidék, sóssá válnak az édesvizek.

37

2.11 ábra Az üvegházhatás sémája

Nagy mennyiségű szén-dioxid kerül a légkörbe az emberi tevékenység eredményeként: a fosszilis fűtőanyagok elégetésekor vagy a kiterjedt erdőirtások következtében. A vizsgálatok szerint, ha kétszeresére nő a légkör szén-dioxid-koncentrációja, a földfelszín hőmérséklete 1,5–4 °C közötti értékkel megemelkedik. 2050-ig a becslések szerint 0,3–1,2 méterrel megemelkedik a világóceán vízszintje. A szénsavból levezett sók közé tartoznak a karbonátok és a hidrogén-karbonátok. Egyes karbonátok és hidrogén-karbonátok tulajdonságairól és jelentőségükről már az 1.3. és az 1.4. részben volt szó. A szén további vegyületei közül fontos a ciánhidrogén (HCN) és a szénkéneg (szén-diszulfid, CS2). A szénvegyületek sajátos csoportját alkotják a szénnek a hidrogénnel alkotott vegyületei, amelyeket szénhidrogéneknek neveznek. A szén képes láncszerű molekulákat kialakítani, ezek nemcsak hosszúak lehetnek, hanem még el is ágazhatnak. A szénhidrogének és származékaik a szerves kémia tárgyát képezik, ezzel majd a tankönyv további fejezeteiben foglalkozunk. Szénkéneg – szén-diszulfid (CS2) tiszta állapotban színtelen, kellemes éterillatú folyadék, amely illékony és könnyen meggyullad. Hosszabb ideig állva megbarnul és kellemetlen, rothadó retekre emlékeztető szaga lesz. A szénkéneg erősen mérgező hatású és súlyos idegrendszeri és agyi zavarokat okozhat. Számos anyag oldószereként alkalmazzák (jód, kristályos kén, fehér foszfor, zsírok, gyanták, kaucsuk stb.). A vízben lényegében nem oldódik. Ciánhidrogén – hidrogén-cianid (HCN) színtelen, keserűmandula illatú folyadék, erősen mérgező. Már nagyon alacsony koncentrációban gyorsan megbénítja az idegrendszer légzőközpontját. A ciánhidrogénsav sói – a cianidok M(CN)x vizes oldataikban erősen hidrolizálnak. A cianid anionok CN– tulajdonságaikat tekintve sokban emlékeztetnek a halogenid ionokra. Oldékonyságukban is hasonlítanak. Ezért gyakran pszeudo-halogenideknek is nevezik őket. Ismert a kálium-cianid (KCN), amelyet ciánkálinak is neveznek és rendkívül mérgező. A szén további vegyületei közé tartoznak a szénsav legjelentősebb származékai is. Diamidja, amelyet triviális nevén ismernek leginkább a karbamid – CO(NH2)2, dikloridja a foszgén – COCl2. Mindkét vegyület szerkezete és tulajdonságai folytán a szerves kémia tárgykörébe tartozik. A szén és vegyületei. Előfordulásuk és jelentőségük A grafit a természetben mindenekelőtt Srí Lanka térségében, Madagaszkáron, Új-Zélandon, az USAban és Oroszországban fordul elő. A legtöbb grafitot az acélgyártás során, az öntődékben mint tűzálló

38

p-elemek

anyagot, olvasztótégelyek anyagául használnak fel. Készülnek belőle elektródok, egykristály szálak, porlasztófejek, karbidok, konzerváló szerek, ceruzák, moderátorok atomerőművekbe, fékbetétek, védőfestékek a gumiiparban korrózióvédelem céljából („hollóezüst”). A finompikkelyes grafit kenőanyag. A gyémánt a természetben elsősorban ősi vulkáni kürtőkben fordul elő viszonylag puha, sötét színű kőzetekben, amelyeket kimberlitnek neveznek a dél-afrikai Kimberlit városáról, ahol 1870-ben először ezeket a gödröket felfedezték. Jelentős gyémántlelőhelyek vannak Dél-Afrikában, Ausztráliában, Indiában, Brazíliában és Szibériában. A kitermelt gyémántnak csak 5 százalékát használja az ékszeripar. A gyémánt kiváló hővezető-képessége fontos szerepet játszik a fúróberendezésekben. A fulleréneket jobbára szintetikusan állítják elő, a természetben csak kis mennyiségben találhatók az ún. fulguritokban (a villámcsapás nyomán a homokban képződött hosszú vékony csövekben – a ford. megj.). A fullerének szupravezető tulajdonságait elsősorban az elektronikában és az optoelektronikában hasznosítják. A nanotechnológiában is széles körben alkalmazzák ezeket. Mivel a különböző fullerén molekulák belseje üreges szerkezetű, a farmakológiában a gyógyszerek transzportjára használják. Nagy mennyiségű szén-dioxid szükséges a karbonátok, bizonyos szerves savak és a karbamid gyártására. Bizonyos kémiai reakcióknál szén-dioxidot alkalmaznak inert atmoszféraként, ahol nem kívánatos az oxigén jelenléte. Erre a célra a szén-dioxid mellett nitrogént (N2) vagy argont (Ar) is használnak. A szén-dioxid nem ég, ezért a szén-dioxiddal oltó és a haboltó készülékekben (2.12 ábra) alkalmazzák. A szén-dioxiddal oltó készülékben a gáz nagy nyomás alatt van és cseppfolyós halmazállapotú. Amikor a nyomásos tartályból kiengedik, kiterjed és hirtelen lehűl, eközben hópelyhekre emlékeztető anyaggá alakul. A haboltó készülékekben az oltó anyag egy habosító keverék, amelyet iniciálva szén-dioxid képződik. Műszaki célokra a szén-dioxidot cseppfolyósítva szürke csíkkal megjelölt nyomásos tartályokban hozzák forgalomba vagy szilárd anyagként, ún. száraz jég formájában. (Ezt láthatjátok utcai árusok hűtőboxaiban, ahol jég helyett használják és „füstölög”, a szilárd CO2 mínusz 78,5 °C-on szublimál.)

2.12 ábra Széndioxiddal oltó készülék

KÍSÉRLET A haboltó készülék modellje Szívópalackot félig megtöltünk nátrium-hidrogén-karbonát telített oldatával és 2–3 cm3 koncentrált szaponátot adunk hozzá. A szívópalackba egy kis kémcsövet helyezünk 10 cm3 koncentrált sósavval. A lombikot bedugaszoljuk és oldalra döntjük, majd átfordítjuk, hogy az oldatok elkeveredjenek egymással. Hab keletkezik, amely a szívópalack kivezető nyílásán távozik.

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

A szén (14C) radioizotópját a szerves eredetű objektumok kormeghatározására használják – ez a radiokarbon módszer. Ez olyan tudományterületek számára jelent hozadékot, mint a geológia, az antropológia vagy a régészet. Azt használják fel, hogy az elhalt növényekben vagy állati maradványokban a beépült 14C radioizotóp mennyisége már nem pótlódik, hanem folyamatosan csökken, és ebből kiszámítható a vizsgált anyag kora. A 14C a légkörben található radioaktív 14N nitrogénizotópból keletkezik. A módszer 50–70 000 éves minták korának meghatározását teszi lehetővé. A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • A szén a bioszféra legfontosabbnak tartott eleme. • Az elemi szén három módosulatban fordul elő: grafit, gyémánt, fullerének.

39

• A grafit réteges szerkezetű, a rétegek között van der Waals-erők hatnak, ami eleve meghatározza az anyag tulajdonságait, mint a puhaság, a hasadóképesség és a ledörzsölhetőség. • A gyémánt a legkeményebb természetes anyag. A szénatomok között kialakult erős kovalens kötések meghatározzák a tulajdonságait, mint a keménység és a szilárdság. • A fullerének a szén legtisztább formái. Legkevesebb 20 szénatomból álló molekulákat alkotnak, a legjelentősebb képviselőjük a C60 fullerén, amely a legszimmetrikusabb molekula a valamennyi ismert molekula közül. • A tiszta kristályos módosulatokon kívül a szén a természetben más elterjedt formákban is előfordul, mint a koksz, a korom, a faszén, a csontszén, a vérszén és az állati szén, valamint az aktív szén. • A szén-monoxid színtelen gáz, valamivel könnyebb a levegőnél, a vízben nem oldódik. Erősen mérgező. Már kis koncentrációban fulladást okozhat, mivel könnyen kötődik a hemoglobin vörös vérfestékhez és ezzel meggátolja az oxigén szállítását a vér útján. • A szén-dioxid színtelen gáz, sűrűsége mintegy 1,5-ször nagyobb a levegőnél. A tiszta légkörben 0,03 % térfogatarányban van jelen. A vízben oldódik. Nem ég, ezért a tűzoltó készülékekben töltőanyagaként is használják, de szárazjégként hűtésre is alkalmas. • A szén-dioxid más gázokkal, mint a vízpára, a metán, a dinitrogén-oxid, az ózon és a freonok az üvegházhatású gázok közé tartozik, mivel nagy mértékben járulnak hozzá a Föld globális felmelegedéséhez. • A szén jelentős vegyületei közé tartoznak a karbonátok, a hidrogén-karbonátok, a ciánhidrogén, a szénkéneg. • A grafitot a ceruzák gyártásánál, korrózió ellen védő festékekben, elektródok előállítására és az atomerőművekben moderátorként alkalmazzák. • A gyémántot mindenekelőtt az ékszergyártásban, vágásra és fúróberendezések készítésére használják. • A fulleréneket szupravezető-képességüknek köszönhetően széles körben alkalmazzák az elektronikában, az optoelektronikában és a nanotechnológiában.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. A szén három allotróp módosulatban fordul elő. Rendeljétek a nevüket a következő jellemzésekhez: a) puha fekete anyag, b) szimmetrikus molekulák legkevesebb 20 szénatommal, c) kemény átlátszó anyag. 2. Válasszátok ki a helyes állítást. a) A szén-dioxid sűrűsége nagyobb mint a szén-monoxidé. b) A szén-monoxid az ember számára mérgező, vérméreg. c) A szén-dioxid nem oldódik a vízben. d) A szén-monoxidot redukálószerként alkalmazzák a vasgyártásban. 3. Válasszátok ki a helyes állítást. a) A szén-dioxid vizes oldata lúgos kémhatású. b) A szén a nemfémek közé tartozik. c) A szén allotróp módosulata – a grafit nem vezeti az áramot. d) A kálium-cianid erősen mérgező. 4. Válasszátok ki a helyes állítást. A szén-monoxid: a) mérgező gáz, erős redukálószer, b) a széntartalmú anyagok kellő levegő jelenlétében végbemenő égésekor keletkezik,

40

p-elemek

c) reakcióképes, oxidációs hatású gáz, a szerves anyagok korhadásakor keletkezik, d) gáz, amely belélegezve fojtogatja az embert. 5. Válasszátok ki a helyes állítást. A szén-dioxid: a) a széntartalmú anyagok tökéletlen égése során keletkezik, a karbonátok hőbomlásakor vagy erős savak hatására végbemenő lebomlásakor, b) az üvegházhatású gázok közé tartozik, c) inert atmoszféraként használják, ahol nem kívánatos az oxigén jelenléte, d) szárazjégként a szén-dioxid tartalmú tűzoltó készülékekben használják. 6. Képezzetek párokat: A) gyémánt B) grafit C) korom D) koksz E) aktív szén

1) szűrő gázálarcokban, vegyi fülkékben 2) nagy fűtőértékű tüzelőanyag 3) üvegvágás 4) ceruzák gyártása 5) tus festékanyaga

7. A haboltó készülékek sűrített szén-dioxidot tartalmaznak vagy az oltásnál ez az oxid fejlődik a töltőanyag reakciója során. Például a nátrium-hidrogén-karbonát és a híg sósav reakciójánál. Írjátok le a kémiai reakció egyenletét. 8. Keressetek az interneten részletesebb információkat a Föld globális felmelegedéséről az üvegházhatással összefüggésben. Keressetek szervezeteket, amelyek a legaktívabban tevékenykednek az üvegházhatású gázok kibocsátásának korlátozása érdekében. 9. Nevezzetek meg legalább két nemesgázt (vegyjel, képlet vagy kémiai név). 10. Írjátok fel minél több kémiai reakció egyenletét, amelyek terméke szén-dioxid.

2.3 Szilícium A szilícium az EPR 14. csoportjában és 3. periódusában található. Az oxigén után a szilícium a leggyakoribb elem a földkéregben. 2.4 táblázat A szilícium legfontosabb jellemzői

Az elem Magyar vegyelnevezés jele Si

Szilícium

Z

Az atom elektronkonfigurációja

14

[Ne]3s23p2

Elektrone- Moláris gativitás tömeg/ (Pauling) g·mol–1 1,9

28,086

Olvadáspont / °C 1420

Sűrűség/ Oxidációs g·cm–3 szám 2,33

– IV, IV

* Kövér betűvel a stabilisabb oxidációs számot jelöltük

A szilícium fizikai és kémiai tulajdonságai A szilícium sötétszürke, nagyon kemény, de törékeny kristályos anyag. Szerkezetét tekintve a gyémánthoz hasonlít. A szilícium a szénhez hasonlóan képes láncokat kialakítani, de csak rövideket. A Si–Si kötések a C–C kötésekkel összevetve gyengébbek, ahogy a Si–H kötések is gyengébbek a C–H kötéseknél. Ugyanakkor a Si–O kötés erősebb, mint a C–O kötés, ezért a szénhidrogén maradványokhoz (R–) kapcsolódó szilícium készségesebben alkot láncokat az oxigénen keresztül és alkot vegyületeket, amelyeket szilikonoknak neveznek. Szerkezetének köszönhetően a szilícium a levegőn állandó. Félfém és félvezető. Az elemi szilíciumot szilícium-dioxid nagyon tiszta koksszal végzett redukciójával állítják elő. A reakció elektromos ívfénykemencében megy végbe.

41

A szilícium nem különösebben reakcióképes elem. Szinte teljesen ellenálló a légköri oxigén és víz hatásával szemben, ezekkel csak magas hőmérsékleteken reagál. Felületét vékony szilícium-dioxid réteg borítja. A savakkal szemben ellenálló, a fluor-hidrogénsav (hidrogén-fluorid, folysav) kivételével. Alkálifémek hidroxidjainak híg oldataiban oldódik, miközben hidrogén keletkezik.

A szilícium vegyületei A szilícium-dioxid (SiO2) a szén-dioxiddal ellentétben szilárd, nehezen olvasztható vegyület. Nem egyszerű molekulákból áll, az egyes atomokat az oxigén kapcsolja össze. Ezért a szilícium-dioxid kristálya egy óriásmolekula (2.13 ábra). A kiszárított hidratált szilícium-dioxid – szilikagél szárítóanyagként szolgál, nagyon jó adszorpciós tulajdonságai vannak.

2.13 ábra A szilícium-dioxid szerkezeti modelljei

A szilícium-dioxid leggyakoribb módosulata a természetben a kvarc (2.14 ábra). A színtelen kristályos kvarcot hegyikristálynak nevezik. A különbözőképpen színezett kvarcváltozatok: ametiszt – ibolyaszínű, rózsakvarc – rózsaszínű, füstkvarc – barna, citrin – sárga (2.15 ábra). Sokkal gyakrabban fordul elő homok (kvarchomok) vagy szennyezett formában. 2.14 ábra Kvarc (fotó: S. Jeleň)

2.15 ábra Kvarcváltozatok, sorrendben: füstkvarc, ametiszt (fotó: S. Jeleň)

Kémiai szempontból a szilícium-dioxid nagyon állandó. A savak közül csak a fluor-hidrogénsavval reagál szilícium-tetrafluorid gáz képződése közben. Mivel a szilícium-dioxid az üveg alapanyaga (erről többet később), a fluor-hidrogénsav nem tárolható üvegedényekben, marja az üveget.

A kovasavak (pl. H2SiO3, H4SiO4) és sóik: a szilikátok, a szilícium-dioxid mellett fontosak az üvegiparban. A szilikátok szerkezetében néhány szilíciumatom helyén alumíniumatomok vannak, így keletkeznek az alumíniumszilikátok, amelyek közül legismertebbek a földpátok és a zeolitok. A szilícium és a hidrogén vegyületeit szilánoknak nevezik (SinH2n+2). A halogénszármazékok közül a legjelentősebb a szilícium-tetraklorid (SiCl4).

42

p-elemek

A szilícium és vegyületei; előfordulásuk és jelentőségük A szilícium biogén elem. Az ember szervezetében a szilícium a csontok, a porcok, a fogzománc, a placenta része. Befolyásolja a szervezet növekedését, közvetlenül részt vesz a csontok meszesedésében és a kollagén termelődésében. Hozzájárul a bőr, az izmok, az érfalak, a hajszálak és a körmök rugalmasságához. A szilíciumot mindenekelőtt az elektronikában, alkatrészek gyártására használják. A szilícium-dioxid és változatai az ékszeriparban használt anyagok. Nagyon fontos az üveggyártásban és az agyagiparban. Az építőiparban jelentős szerepe van a kalcium-aluminoszilikátnak, amely a cement egyik fő összetevője. Az üveg és az üvegipar Az üveg fontos, amorf tulajdonságú műszaki és fogyasztási cikk. A gyártásához nélkülözhetetlen fontos nyersanyagok a szilícium-dioxid, a mészkő és a szóda. Meghatározott arányban keverik őket, a kívánt üvegfajtától függően. Az régi üvegcserepekkel együtt felhevítik őket 1400–1500 °C-ra, ezt követően a keverék lehűl és megdermed. A közönséges üveg (táblaüveg) összetételét a benne levő oxidok „szorzataként” fejezik ki: Na2O.CaO.6SiO2. A speciális tulajdonságokkal rendelkező üveg gyártásakor a keverékhez MgO-t, BaO-t (magasabb törésmutató), ZnO-t, PbO-t (jobb optikai tulajdonságok) adagolnak. A kémiai üveg B2O3-t tartalmaz. A kívánt színű üveg előállítása érdekében bizonyos fémoxidokat kevernek az üvegolvadékba, pl. kék szín – CoO, ibolya – MnO2, zöld – FeO, sárgásbarna – Fe2O3, kékeszöld – CuO, piros – Cu vagy Au. Csak a tiszta szilícium-oxidból készült üveget kvarcüvegnek nevezik. A közönséges üvegtől eltérőek a tulajdonságai. Átengedi az ultraibolya sugárzást, igen magas az olvadáspontja, kemény, optikailag tiszta. Az optikában lencsék és tükrök gyártására, de laboratóriumi tégelyek, tálak előállítására is használják. A tejüveg kalcium-foszfát vagy kalcium-fluorid hozzáadásával készül. A vízüveg a kovasavak nátriumsóinak a keveréke.

2.16 ábra Üveggyártás

Agyagipar Az agyagipar legfontosabb nyersanyaga a kaolin, amelynek lényegi összetevője egy aluminoszilikát – a kaolinit Al2(OH)4Si2O5 agyagásvány. A földpátok mállásakor keletkezik. A nagyon tiszta kaolinból finoman őrölt földpát és kvarc hozzáadásával gyártják a porcelánt. A kevésbé jó minőségű kerámiai nyersanyagokból – agyagokból fazekas termékek, téglák, szárított fedőanyagok stb. készülnek.

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • A szilícium biogén elem, szerkezete a gyémántéhoz hasonló. Félfém. • A szilíciumot széles körben alkalmazzák az elektronikában, alkatrészek készülnek belőle. • A szilícium vegyületek formájában fordul elő, a legjelentősebb a szilícium-dioxid, a szilikátok és az aluminoszilikátok. • A szilícium-dioxid az üveggyártás alapanyaga. • A kaolinban található aluminoszilikátok az agyagipar (kerámiaipar) legfontosabb nyersanyagai. A kalcium-aluminoszilikát a cement fő alkotórésze.

43

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Az oxigén után a földkéreg leggyakoribb elemei: a) Si és Fe, b) Al és Fe, c) Si és Al, d) C és Si. 2. Egészítsétek ki az állítást. A kvarchomok alkalikus karbonátok keverékével történő olvasztásával és ezt követően ennek az amorf olvadéknak a megszilárdulásával keletkezik az ………............ 3. Válasszátok ki a helyes állítást. a) A kaolinból készül a porcelán. b) A kvarchomok olvasztásával készül a cement. c) A homok többnyire SiO2-t tartalmaz. d) Az aluminoszilikátos agyagokból gyártják a kerámiát. 4. Válasszátok ki a megfelelő állítást. A szilícium elem: a) félvezető, elektromos vezetőképessége a hőmérséklettel arányosan nő, b) a nemfémek közé soroljuk, mert nem vezeti az elektromos áramot, c) tiszta állapotban elektronikai alkatrészek gyártására használják, d) tiszta állapotban nagy mennyiségben található a kozmikus testek felszínén. 5. Válasszátok ki a helyes állítást. A kaolin: a) a leggyakoribb szilikátos kőzetek közé tartozik, nagyon kemény, b) barnásvörös színezésű a benne található cinóber mennyiségétől függően, c) az aluminoszilikátok természetes keveréke, amely a finoman őrölt földpáttal és kvarccal együtt a porcelángyártás alapanyaga, d) egy ásvány, amely az alumínium mellett ónt is tartalmaz.

2.4 Nitrogén A nitrogén az EPR 15. csoportjában és 2. periódusában található. Ebbe a csoportba tartozik még a foszfor, az arzén, az antimon és a bizmut is. A nitrogén és a foszfor nemfémek, az arzén és az antimon félfémek, a bizmut pedig fém. Ebben és a következő fejezetben a nitrogén és a foszfor elemmel fogunk foglalkozni. 2.5 táblázat A nitrogén legfontosabb jellemzői

Az elem Magyar vegyjele név N

Nitrogén

Az atom Elektrone- Moláris Z elektronkon- gativitás tömeg/ figurációja (Pauling) g · mol–1 7

[He]2s22p3

3,0

14,01

Olvadás- Forráspont / pont °C /°C –210

–195,8

Sűrűség/ Oxidációs g · cm–3 szám 0,00125 -III-tól V-ig

A nitrogén fizikai és kémiai tulajdonságai A nitrogént kétatomos nitrogénmolekulák (N2) alkotják. A nitrogénmolekula nagyon stabilis, mert a nitrogénatomok szilárd hármaskötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. A nitrogén maximálisan négy kötésű (pl. az ammónium-kationban). A nitrogén színtelen, szagtalan gáz. Könnyebb a levegőnél. A vízben kevésbé oldódik, mint az oxigén. A nitrogént iparilag a cseppfolyós levegő szakaszos lepárlásával állítják elő. Fekete színnel jelölt nyomásos tartályokban szállítják.

44

p-elemek

2.17 ábra A nitrogénmolekula modelljei

A nitrogén számos kémiai reakció terméke, pl. az ammónium-bikromát – (NH4)2Cr2O7 hőbontásával is keletkezhet, amely már egy égő hurkapálca hatására is elbomlik. A bomlás további terméke a króm(III)-oxid és a vízgőz.

2.18 ábra Az ammónium-bikromát bomlása

Normális körülmények között a nitrogén szinte nem reaktív. Csak néhány kis elektronegativitású elemmel egyesül (Li, Ca, Mg) nitridek – olyan bináris vegyületek képződése közben, amelyekben a nitrogén oxidációs száma –III. Reakcióképessége a hőmérséklet emelésével megnő, a nitrogénmolekulák atomokra hasadnak. Nagy elektronegativitás-értékének köszönhetően (a fluor és az oxigén után a harmadik legnagyobb értéke van) a nitrogén közreműködhet hidrogénhidak kialakításában. A nitrogén vegyületei A nitrogén legjelentősebb vegyülete az ammónia (NH3), amelynek vizes oldatát „szalmiákszesznek” nevezik. Az ammónia színtelen, kellemetlenül szúrós szagú gáz, marja a nyálkahártyát. Az erős maróanyagok közé tartozik, mérgező. Könnyebb a levegőnél, könnyen cseppfolyósítható. A vízhez hasonlóan az ammóniában is sok anyag jól oldódik. Az ammóniát iparilag a Haber-Bosch módszerrel – a nitrogéngáz és a hidrogéngáz közvetlen szintézisével állítják elő. A szintézist nagy nyomáson és magas hőmérsékleten hajtják végre katalizátor (leggyakrabban vas) jelenlétében. E módszer kidolgozásáért FRITZ HABER német vegyésznek 1918-ban odaítélték a kémiai Nobel-díjat. Ezt a módszert az ipari termelés mérföldkövének nevezik, mert lehetővé tette a műtrágyák tömeges gyártását.

2.19 ábra Az ammóniamolekula modelljei

KÍSÉRLET Ammónia előállítása Kevés (egy kiskanál hegynyi) ammónium-kloridot dörzsöljünk szét szilárd nátrium-hidroxiddal. Ammóniagáz keletkezik, amelyet jellegzetes szaga alapján azonosíthatunk. A kísérletet kémcsőben is bemutathatjuk. 5 cm3 nátrium-hidroxid oldathoz (w = 0,05) néhány kristály ammónium-kloridot adunk és a kémcsőt hevítjük.

45

Az ammóniamolekulában a kötések polárisak. A nitrogénatomnak szabad elektronpárja van, oxidációs száma –III. Az ammónia poláris molekulái képesek hidrogénhidakkal egymáshoz kapcsolódni. Polaritásuknak köszönhetően az ammónia nagyon jól oldódik a vízben. 1 dm3 vízben normális körülmények között 1 176 dm3 ammóniagáz oldódik fel. Főzéssel az ammónia teljesen elillan. Az ammónia bázikus jellegű, a nitrogénatom szabad elektronpárjának köszönhetően képes meg+ kötni egy protont, miközben ammónium-kation NH4 keletkezik:

ammónia

ammónium-kation

KÍSÉRLET Az ammónia oldódása vízben Főzőlombikba öntsünk kb. 2 cm3 koncentrált ammónia oldatot és egy, a lombik belsejében beszűkült végű üvegcsővel átfúrt dugóval zárjuk le. Az ammónia-oldatot a lombikban kör-körös mozgatás közben forrásig hevítjük, amíg az egész lombik meg nem telik ammóniagázzal. Ezután a lombikot az aljával felfelé fordítjuk és az üvegcső szabad végét behelyezzük egy vízzel töltött főzőpohárba vagy kis üvegkádba, amelybe előzőleg néhány csepp fenolftalein-indikátort adtunk. Azt látjuk, hogy a víz felszívódik az üvegcsövön és szétspriccel az ammóniagáz atmoszférájába. A felszívódott víz a lombikban ibolya színű lesz. Magyarázzátok meg ennek a kísérletnek a lényegét, amely ammónia-szökőkút néven is ismert. 2.20 ábra Ammónia-szökőkút +

–

Az ammónia vizes oldata az NH3 molekulák mellett NH4 és OH . ionokat is tartalmaz. Gyenge hidroxid. (A szakirodalomban gyakran említik az ammónium-hidroxid NH4OH vegyületet, de ilyen sem önállóan, sem vizes oldatban nem létezik.) Az ammónia vizes oldatát savakkal közömbösíthetjük, miközben ammónium sók keletkeznek. Az említett protolitikus reakciókon kívül az ammónia a vizes oldatokban komplexképző reakciókban is részt vehet elektronpárok donorjaként. Az ammónium sókat leggyakrabban úgy állítják elő, hogy az ammóniagázt bevezetik az adott sav vizes oldatába, vagy vizes oldataik reakciójával. A legtöbb ammónium só vízben jól oldódik és magasabb hőmérsékleten ammóniagázra és savra bomlik.

Ha a sav-anion oxidáló képességű, a keletkező ammónia egészen nitrogénné vagy valamelyik oxidjává oxidálódik. Például laboratóriumban az ammónium-nitrit hőbontásával nitrogént állíthatunk elő. Az ammónium-sók molekuláiban ionos kötések vannak, ezért szilárd kristályos anyagok. A nitrogén az oxigénnel különböző összetételű oxidokat alkot, ezekben a nitrogénatom oxidációs száma I – V között van. A legjelentősebb oxidok a dinitrogén-oxid, a nitrogén-oxid és a nitrogén-tetroxid. A dinitrogén-oxid (N2O) színtelen, kellemes szagú gáz. Nem mérgező, és narkotikus hatásának köszönhetően a gyógyászatban altatógázként használják – anesztetikum. Belélegezve kábítóan hat az emberre, ezért kéjgáznak is nevezik. A nitrogén-oxid (NO) színtelen gáz, a levegőn nagyon gyorsan nitrogén-dioxiddá oxidálódik. A salétromsav gyártásánál közti termékként keletkezik. A nitrogén-dioxid (NO2) normális laboratóriumi körülmények között vörösesbarna színű, kevés dimer molekulát (N2O4) is tartalmaz. A dimer molekulák mennyisége a keverék hűtésével megnő.

46

p-elemek

Igen mérgező. Mennyiségét a légkörben folyamatosan vizsgálják. A környezetet szennyező anyagok egyike. A nitrogén-oxiddal együtt NOx-ként jelölik. Vízzel reagálva egyszerre redukálódik és oxidálódik (diszproporcionál) salétromos savvá és salétromsavvá:

2.21 ábra Az NO2 molekula modelljei

2.22 ábra Az N2O4 molekula modelljei –

A nitrogén további fontos vegyületei közé tartozik a salétromsav (HNO3) és a sói a nitrátok NO3 aniont tartalmaznak. A salétromsav színtelen folyadék, amely hosszabb ideig állva az üvegpalackban barnás színűre festődik a keletkező nitrogén-dioxidtól.

2.23 ábra A salétromsav molekula modelljei

A salétromsav erős sav és erősen oxidáló képességű. Ennek mértéke függ a sav töménységétől (koncentrációjától), az oxidált anyag fajtájától és a reakcióközeg hőmérsékletétől. Híg oldata a rézzel nitrogén-oxid képződése közben reagál, koncentrált salétromsav és a réz reakciója során nitrogén-dioxid keletkezik.

A salétromsav disszociációs állandójának az értéke nagyobb, mint 10 (Ks > 10), ami azt jelenti, hogy ez a sav az oldatban szinte teljesen disszociál, a szélsőségesen savas közeg kivételével:

A salétromsav a kénsavval szemben bázisként viselkedik:

Minden fémet, az arany és néhány platinafém kivételével a salétromsav oxidál. Az arany és a platinafémek csak a koncentrált sósav (HCl) és a koncentrált salétromsav (HNO3) 3:1 arányú keverékében oldódnak. Ezt királyvíznek nevezik. KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

A salétromsavat az ammónia katalitikus oxidációjával állítják elő. Nitrogén-oxid keletkezik, amelyet a levegő oxigénje nitrogén-dioxiddá oxidál. Ez a vízzel salétromsav képződése közben reagál.

A salétromsav nem reagál valamennyi fémmel, pl. a vassal, a krómmal vagy az alumíniummal. Ezek a fémek a savban passziválódnak. A fémek úgy védekeznek a savval szemben, hogy a felszínükön öszszefüggő védőréteget képeznek, többnyire oxidjaikból. Bizonyos fémek esetében ez a védőréteg hidroxidokat, esetleg az adott sav sóit is tartalmazhatja. A jelenséget a fémek passziválódásának nevezik.

47

A nitrogén és vegyületei – előfordulásuk és jelentőségük A le nem kötött nitrogén az atmoszféra tiszta légkörének 78 térfogatszázalékát teszi ki. Előfordul a vulkáni gázokban és néhány feltörő ásványvízforrás gázaiban is. A természetben vegyületekben lekötve a nitrogén megtalálható az ammóniában, a nitrátokban, a nitritekben, a fehérjékben és más szerves vegyületekben. A nitrogén leggyakoribb ásványa a nátrium-nitrát, amelyet chilei salétromnak neveznek. A nitrogén az egyik legjelentősebb biogén elem. A makroelemek köz tartozik. Az aminosavakban és a nukleinsavakban pótolhatatlan elem. A nitrogéntartalmú anyagok bomlástermékeinek a része. Az elemi nitrogént inert atmoszféraként használják. A nitrogén és az argon elegyével töltik az izzólámpákat. Nagyszámú vegyületének fontos nyersanyaga: a szintetikus ammóniának, a nitrogén-oxidnak, a salétromsavnak, a nitrogéntrágyáknak. A cseppfolyós ammóniát hűtőközegként alkalmazzák alacsony hőmérsékletek előállítása céljából, számos polimer, mint pl. a nejlon vagy a poliamidok gyártásánál is használják. Az ammónia redukálószer. Nagy jelentőségűek az ammónium-sók. Az ammónium-kloridot, amely „szalmiák” néven is ismert a szárazelemek töltőanyagaként használják, de bizonyos gyógyszerek alkotórésze is. Az ammónium-szulfát, az ammónium-nitrát és a kálium-nitrát (salétrom) fontos műtrágyák (bővebben a 2.5. részben). Az ammónium-nitrátot a sütödékben a tészta lazítására használják, a NaHCO3-hoz hasonlóan. A nitrogén-oxidok az ipari eredetű légszennyezés (immisszió) és emisszió (kibocsátás), a gépjárművek és a repülőgépek kipufogó gázainak alkotórészei. A kén oxidjaival együtt a nitrogén-oxidok NOx is felelősek a savas esők kialakulásáért (2.7. rész). A dinitrogén-oxidot hajtógázként használják tejszínhabos sprayekben. A legjelentősebb szervetlen savak egyike a salétromsav. Leggyakrabban vizes oldat (w = 0,63) formájában forgalmazzák. Elsősorban a robbanószerek és a festékek gyártásánál használják. A kénsavval együtt ún. nitrálóelegyet alkot, amelyet a szerves vegyületek nitrálásánál használnak. A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • A nitrogén színtelen, a levegőnél könnyebb gáz. Az atmoszférában a tiszta légkör 78 térfogat-%-át alkotja. • Az egyik legjelentősebb biogén elem, nélkülözhetetlen alkotórésze nagyon fontos természetes anyagoknak. • A nitrogén kétatomos molekulákban fordul elő, amelyekben a nitrogénatomok erős hármas kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. A nitrogén kevéssé reakcióképes. • A nitrogén legfontosabb vegyületei: ammónia, nitrogén-oxidok, salétromsav, nitrátok. • Az ammónia kellemetlen szúrós szagú gáz, erős maróanyag, bázikus jellegű.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Írjátok le a vegyületek képleteit: a) ammónium-klorid, b) ammónium-szulfát, c) ammónium-nitrát, d) ammónium-karbonát. 2. Válasszátok ki a helyes állítást. a) A nitrogénmolekulák normális körülmények között gázhalmazállapotúak. b) A légkörben a nitrogén N3-molekulák formájában van jelen. c) A nitrogén a biogén elemek közé tartozik, az élőlényekben pl. a fehérjékben található. d) A nitrogén a természetben nitrátokban lekötve is előfordul.

48

p-elemek

3. Indokoljátok meg, miért nem keletkezik a híg salétromsav és a réz reakciója során hidrogén. 4. Egészítsétek ki az állítást. A nitrogénmolekula (N2) rendkívül stabilis, mert …………..............… kötés van benne. 5. Válasszátok ki a helyes állítást: Az ammónia bázikus jellegének oka: a) a nitrogén háromszoros kötődése, + b) hogy képes megkötni egy protont ammónium-kation (NH4) képződése közben, c) hogy kovalens N–H kötések vannak benne, d) hogy a molekulában telített kötések vannak. 6. Válasszátok ki a helyes állítást. a) Az ammónia normális körülmények között cseppfolyós halmazállapotú. b) Az ammónia vizes oldata savas kémhatású. c) Az ammóniagáz erősen mérgező. d) Az ammóniának jellegzetes szúrós szaga van. 7. Válasszátok ki azt a feltételt, amely a következő hőtermelő reakciót a termékek irányába tolja el: a) a nyomás növelése, b) a nyomás csökkentése, c) a hőmérséklet növelése, d) a hőmérséklet csökkentése. 8. Írjátok le a koncentrált salétromsav és a réz reakciójának a kémiai egyenletét. 9. Egészítsétek ki az állítást: A nitrogént iparilag a cseppfolyós levegő ………………… állítják elő. 10. Írjátok le az ammónium-bikromát hőbomlásának egyenletét, amelynek a termékei a nitrogén mellett a króm(III)-oxid és a víz. 11. Számítsátok ki a sztöchiometriai együtthatókat és a reakciósémát alakítsátok át kémiai egyenletté. 12. Írjatok le minél több a) közös és b) eltérő jegyet, amelyekkel a következő egyenletek jellemezhetők.

2.5 Foszfor A foszfor az EPR 15. csoportjában és 3. periódusában található. A foszfor és a nitrogén között a legfontosabb különbség, hogy a foszfor a kémiai kötésbe 3d elektronpályáit is bekapcsolhatja. Ezért négynél több – öt és hat – kovalens kötést is kialakíthat. 2.6 táblázat A foszfor legfontosabb jellemzői

Az elem Magyar vegyjenév le P

Foszfor

Az atom Elektrone- Moláris Z elektronkon- gativitás tömeg/ figurációja (Pauling) g · mol–1 15

[He]3s23p3

2,2

30,974

Olvadáspont/ °C 44,1 (f) 585–600 (v)

Sűrűség/ g · cm–3 1,828 (f) 2,0–2,4 (v) 2,69 (fe)

Oxidációs szám

-III-tól V-ig

f – fehér foszfor, v – vörös foszfor, fe – fekete foszfor

49

A foszfor fizikai és kémiai tulajdonságai A foszfornak hátrom fő allotróp módosulata van: fehér, vörös és fekete. Fizikai (és részben kémiai) tulajdonságaik eltérőek. A fehér (vagy sárga) foszfor jellegzetes szagú, fehéres anyag. Puha, késsel vágható. A vízben nem oldódik. Rendkívül mérgező (az ember számára már 0,15 g halálos). P4 molekulákból áll, ezek szabályos tetraédert alkotnak. Valamennyi módosulat közül a leginkább reakcióképes. A levegőn magától meggyullad, ezért víz alatt tárolják.

2.24 ábra A fehér foszfor (P4) molekulamodelljei

A vörös foszfor a fehér foszfor inert atmoszférában történő hevítésével keletkezik. Viszonylag állandó, kevéssé reakcióképes. Molekulái láncszerkezetűek. Nem mérgező. Higroszkópos, elnyeli a levegő nedvességét. A fekete foszfor kristályos, sötétszürke, fényesen csillogó anyag, polimeres szerkezetű. A fehér és a vörös foszforral összevetve nagyon jól vezeti az elektromos áramot és a hőt. A foszfornak nagy mennyiségű jelentős vegyülete van. Már laboratóriumi hőmérsékleten reagál az oxigénnel és a halogénekkel, további reakciói már magasabb hőmérsékleten játszódnak le. A foszfor fontos vegyületei közül főleg a foszfor-pentoxidot, a foszforsavat (vagy: ortofoszforsavat) és a sóit említhetjük. A foszfor vegyületei A foszfor-pentoxid (P4O10) a P2O5 molekula dimerjeként fordul elő. Fehér anyag, küllemét tekintve a hóra emlékeztet. Nagyon nedvszívó. A foszfor elégetésével állítható elő száraz levegő fölöslegében.

A foszfor-pentoxid készségesen reagál a vízzel, miközben trihidrogén-foszforsav (ortofoszforsav vagy csak foszforsav) keletkezik. A foszfor-pentoxid affinitása a vízhez olyan nagy, hogy az oxid még a kénsavból vagy a salétromsavból is képes elvonni a vizet (eközben ezek anhidridjei keletkeznek). A foszforsav (H3PO4) szilárd, színtelen kristályos, réteges szerkezetű anyag. A foszfor legstabilabb középerősségű sava. A salétromsavval összevetve normális hőmérsékleten nincs oxidáló hatása. A legtöbb fémet nem oldja, ezek felületén oldhatatlan foszfátokból vékony védőréteg képződik.

2.25 ábra A foszforsav molekulamodelljei

Mivel a foszforsav három hidrogént tartalmaz, három féle sót képez. Minden dihidrogén-foszfát – – H2PO4 aniont tartalmaz és vízben oldódik. A HPO42– aniont tartalmazó hidrogén-foszfátok és a PO43– aniont tartalmazó foszfátok közül a vízben csak az alkálifémek foszfátjai oldódnak. Mindkét ion a vízben hidrolizál.

50

p-elemek

A foszfor és vegyületei – előfordulásuk és jelentőségük A foszfor a természetben csak vegyületek formájában található, mindenekelőtt a foszforsav sóiként. A foszfor legfontosabb ásványa a foszforit – Ca3(PO4)2 és az apatit – Ca5F(PO4)3. Mindkét ásvány az elemi foszfor előállításának fontos nyersanyaga.

2.26 ábra Apatit (fotó: S. Jeleň)

A foszfor, akárcsak a nitrogén jelentős biogén makroelem. Nélkülözhetetlen a növényi és az állati szervezetek számára. Szerves molekulákban foszfátionok formájában van lekötve, elsősorban a nukleotidok alkotórészeként, pl. az adenozin-trifoszfátban (ATP). Néhány foszfortartalmú szerves vegyület az agy szürkeállományában, az idegekben és a sejtmagokban található. A vörös foszfort a gyufagyártásban alkalmazzák. (Üvegporral és mangán-dioxiddal vagy a vas(III)-oxiddal összekeverve felviszik a gyufásdoboz oldalára – itt gyújtják meg a gyufaszálat.) A fehér foszfor öngyulladását iniciátorként használták a Napalm harci anyagban (ez lényegében zselésített benzint és egyéb jól égő szerves anyagokat tartalmazott). A foszfor-pentoxidot szárító anyagként és a foszfor további vegyületeinek alapanyagaként használják. A foszforsavat műtrágyák előállítására és a fémek felületi korrózióvédelmére (ún. foszfátbevonat) használják. Forgalmazzák a vizes oldatát is (w = 0,85). A foszfátokat az élelmiszeriparban lágyítószerekként alkalmazzák. A tisztító- és a mosószereknek is fontos alkotórészei. A trikalcium-foszfát vagy egyszerűen kalcium-foszfát az állatok csontjainak és fogainak az építőanyaga. A foszforsav kalcium sói fontos bioaktív anyagok, amelyek alkalmasak az élő szervezetekbe való beültetésre (implantátumok).

2.27 ábra Műtrágyák

A foszfor számos vegyületét a mezőgazdaságban műtrágyaként és peszticidként alkalmazzák. Az iparilag gyártott foszfortrágyákat elsősorban a természetes foszfátok lebontásával nyerik. A leggyakrabban használt foszfortrágya a kalcium-dihidrogén-foszfát mellett hidratált kalcium-szulfátot is tartalmaz. Ezt a műtrágyát szuperfoszfát néven forgalmazzák.

szuperfoszfát

A műtrágyákat különböző szempontok alapján osztályozhatjuk, pl. eredetük, összetételük, halmazállapotuk vagy alkalmazásuk módja szerint. A 2.28. ábrán látható séma szemlélteti a műtrágyák felosztásának áttekintését eredetük alapján és összefoglalja az egyes trágyák összetételét is.

51

TRÁGYÁK Természetes trágyák Ipari trágyák

istálló trágya, trágyalé, komposzt egykomponensűek nitrogéntartalmúak

•karbamid – (NH2)2CO •folyékony ammónia – NH3 · xH2O •ammónium-szulfát – (NH4)2SO4 •salétromok - chilei s. – NaNO3 - ammónia s. – NH4NO3 - salétrom (káli) – KNO3 - mészsalétrom – Ca(NO3)2

foszfortartalmúak

•szuperfoszfát – Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4 · 2H2O •kálium-dihidrogén-foszfát – KH2PO4 •ammónium-hidrogén-foszfát – (NH4)2HPO4

káliumtartalmúak

•szilvin – KCl •karnalit – KCl · MgCl2 · 6H2O •kálium-szulfát – K2SO4

kalciumtartalmúak

•mészkő – CaCO3 •mésznitrogén – CaCN2 •Thomas-salak

magnéziumtartalmúak •Kieserit többkomponensűek NPK (komplex) Cererit 2.28 ábra A trágyák felosztása eredetük alapján

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • A foszfor három módosulatban fordul elő: fehér, vörös, fekete. A fehér foszfor nagyon mérgező és a leginkább reakcióképes. • A foszfor számos ásvány, elsősorban a foszforit és az apatit alkotórésze, ugyanis ezekből állítják elő. • Gazdasági szempontból jelentős a foszforsav, amely a műtrágyák kiindulási anyaga. • A legismertebb foszfortartalmú műtrágya a szuperfoszfát. • A foszfor az egyik legjelentősebb biogén elem. Az emberi szervezetben található, fontos szerepet játszó anyagok alkotórésze.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Egészítsétek ki az állítást A foszfor valamennyi allotróp módosulata normális körülmények között ....................... halmazállapotú. 2. Válasszátok ki a helyes állítást. a) A foszfor nem biogén elem. b) A foszfor a természetben elemi állapotban is előfordul P4 molekulák formájában. c) A foszfor leggyakrabban hasznosított természetes forrásai a foszfátok. d) A foszfor leginkább reakcióképes allotróp módosulata a fehér foszfor.

52

p-elemek

3. A foszfort iparilag a következő módon állítják elő: Számítsátok ki a sztöchiometria együtthatókat és a reakciósémát alakítsátok át kémiai egyenletté. 4. Válasszátok ki a helyes állítást. A foszforsav: a) kristályos anyag, amelynek vizes oldata közepes erősségű sav, b) erős sav, c) kétértékű sav, d) oxigénmentes sav. 5. Keressetek a háztartásotokban foszforsavat és sóit tartalmazó tisztító- és mosószereket. Az adatokat jegyezzétek fel és vitassátok meg azokat.

2.6 Oxigén Az oxigén az EPR 16. csoportjában, a 2. periódusban található. Vele együtt ebbe a csoportba tartozik a kén, a szelén, a tellúr és a polónium is. Az oxigén, a kén és a szelén nemfémek, a tellúr félfém és a polónium fém. Ennek a csoportnak az elemeit kalkogén elemeknek nevezik, ami ércképzőt jelent (a görög khalkosz = érc nyomán). Az oxigént leszámítva valamennyi elem szilárd anyag. Ebben és a követező fejezetben az oxigénnel és a kénnel foglalkozunk. 2.7 táblázat Az oxigén legfontosabb jellemzői

Az elem Magyar vegyjele név

O

Oxigén

ElektroAz atom negaZ elektronkonfitivitás gurációja (Pauling) 8

[He]2s22p4

3,5

Moláris tömeg/ g · mol–1 15,999

OlvadásForrás- Sűrűség/ Oxidációs pont/ szám pont/°C g · cm–3 °C –218,8 (O2) –193 (O3)

–183 (O2) –112 (O3)

0,00143 (O2) 0,00214 (O3)

–II, –I, II

* A –II oxidációs szám a legstabilabb

Az oxigén fizikai és kémiai tulajdonságai Az elemi oxigén kétatomos (O2) és háromatomos molekulák (O3) formájában fordul elő (neve: ózon). Az oxigén (O2) színtelen, vízben oldódó gáz, aminek nagy jelentősége van a vízi élőlények számára, mert lehetővé teszi a légzésüket. Minél magasabb a víz hőmérséklete, annál kevesebb oxigén oldódik benne. Nehezebb a levegőnél (a levegő sűrűsége 0,00121 g.cm–3). Az ózon (O3) színtelen, nagyobb koncentrációban kékes árnyalatú, jellegzetes szagú gáz. A cseppfolyós ózon kék színű, a szilárd ózon sötétkék. Nagyobb koncentrációban mérgező, a szem kötőhártyájának gyulladását okozza, ingerli a légzőszerveket. Vízben oldódik. Az oxigént iparilag a cseppfolyós levegő szakaszos lepárlásával állítják elő a nitrogénnel és a nemesgázokkal együtt. Fehér és világoskék színnel jelölt nyomásos tartályokban hozzák forgalomba. Laboratóriumi körülmények között az oxigént a következő módon állíthatjuk elő: – az oxidok elbontásával, például: – a peroxidok és bizonyos oxosavak sóinak elbontásával, például: – a víz elektrolízisével és más reakcióval magas hőmérsékleten, katalizátor jelenlétében. Az ózon oxigénből (O2) keletkezik az elektromos kisülések során (a molekuláris oxigén reakciója a reaktívabb atomi oxigénnel) vagy az UV-sugárzás hatására. Az ózon előállítására ozonizátorokat használnak.

53

Az oxigénatomok nem állandóak, készségesen egyesülnek további oxigénatomokkal vagy más elemek atomjaival, miáltal stabilisabb, a legközelebbi nemesgáz – a neon elektronkonfigurációjára tesznek szert, méghozzá a következő módon: • két elektront felvéve O2– anion képződése közben, • egyes kötés kialakításával és egy elektron felvételével, pl. OH– az NaOH-ban, • két egyes kötés vagy egy kovalens kettőskötés kialakításával (pl. O2, H2O). Az oxigén (O2) olyan molekulákból áll, amelyekben az oxigénatomok apoláris kovalens kettőskötéssel kapcsolódnak egymáshoz. A fluor után az oxigén a második legelektronegatívabb elem. Igen reakcióképes. Erős oxidálószerként közvetlenül reagál szinte valamennyi elemmel (a halogének, a nemesgázok és bizonyos nemesfémek kivételével). Az oxigén sok reakciója égési jellegű. Ez heves hőtermelő (exoterm) reakció. Az anyagok égésének a feltétele az oxigén jelenléte (erről bővebben a kísérletben). Azt a hőmérsékletet, amelyen az anyagok exoterm reakcióba lépnek az oxigénnel, gyulladáspontnak nevezzük. Így keletkeznek az adott elemek oxidjai.

2.29 ábra Az oxigénmolekula (O2) modelljei

2.30 ábra Az ózonmolekula (O3) modelljei

KÍSÉRLET Az oxigén előállítása és kimutatása Egy Erlenmeyer-lombik aljára fél kiskanál mangán-dioxidot (barnakőt) szórunk. Ehhez hígított hidrogénperoxid oldatot (1:1) öntünk. A keletkező gáz atmoszférájába izzó hurkapálcát helyezünk. Megfigyeljük. Az izzó hurkapálca lángra lobban, égni kezd, ami azt bizonyítja, hogy a keletkező gáz oxigén, amely segíti az égést. Az oxigént a kálium-permanganát hőbontásával is előállíthatjuk. Egy meghajlított üvegcsőbe fél kiskanál hipermangánt szórunk. A csövet a hajlításnál hevítjük. Az izzó hurkapálcát a meghajlított cső szájnyílásához helyezzük, ahonnan kiáramlik a keletkező oxigén.

A TANANYAG KIEGÉSZÍTÉSE

++

Az ózon (O3) rendkívül reakcióképes. Könnyen elbomlik atomos oxigén keletkezése közben, ezért erős oxidációs tulajdonsága van. A levegővel alkotott keveréke (70 térfogat %) robbanóelegy. Szinte valamennyi fémmel (a platinafémeket kivéve) oxidok képződése közben reagál. Az ózon és az alkalikus hidroxidok reakciója során nem állandó vegyületek – ozonidok keletkeznek, amelyek általános képlete – MO3 és ozonid-aniont (O3) tartalmaznak. Az oxigén vegyületei Az oxigén és más elemek közvetlen egyesülésével oxidok, esetleg peroxidok keletkeznek. Az oxidok az oxigén és egy kisebb elektronegativitású elem biner vegyületei. Az oxigénatom oxidációs száma az oxidokban –II. Az oxidokat különböző szempontok alapján oszthatjuk fel. Az oxidok felosztása a vízzel, a savakkal és a hidroxidokkal végbemenő kémiai reakcióik alapján: a) Savképző oxidok – a III–VII oxidációs számú fémek és nemfémek oxidjai, ezek vízzel oxosavakat képeznek. A vízben nem oldódó oxidok hidroxidok oldatában az adott sók képződése közben oldódnak. Például: CO2, NO2, SO3, CrO3.

54

p-elemek

b) Bázisképző oxidok – az I–IV oxidációs számú elemek oxidjai. Vízzel reagálva hidroxidok keletkeznek belőlük. A vízben nem oldódó oxidok a savakkal az adott sók képződése közben reagálnak. Például: CaO, Na2O, BaO, MgO.

c) Amfoter oxidok – alacsonyabb oxidációs számú fémek oxidjai. Ezek az oxidok savakkal és hidroxidokkal egyaránt az adott sók képződése közben reagálnak. Az amfoter oxid bázissal végbemenő reakciója során a keletkező sókban az oxid fémje az anionban van lekötve. Például: ZnO, Al2O3.

nátrium-tetrahidroxo-cinkát

d) Semleges oxidok – olyan oxidok, amelyek sem a savakkal, sem a bázisokkal nem reagálnak. Például: CO, NO. KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

Az oxidok felosztása a kötés és a szerkezet alapján: a) Ionos oxidok – O2– ionokat tartalmaznak és a fémek kationjai ionos kötéssel kapcsolódnak. Ezek mindenekelőtt az alkálifémek és az alkáliföldfémek, a lantanidák, az aktinidák és néhány alacsonyabb oxidációs számú d-elem oxidjai. A vízzel reagáló ionos oxidok bázisképzők és azokból, amelyek nem reagálnak a vízzel az adott sav sója és víz keletkezik. Példa: CaO, Na2O. b) Polimer oxidok – az oxigénatomok és a fématomok többnyire kovalens kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz. Ezek az oxidok láncszerű síkbeli, esetleg térbeli alakzatokat hoznak létre. Elsősorban közepes vagy magasabb elektronegativitás-értékű fémek alkotnak ilyeneket, de némely félfém és nemfém is. Többségük nem reagál a vízzel, vagy ha reagál, akkor savképző vagy amfoter oxidról van szó. Példa: CrO3, ZnO. c) Molekuláris oxidok – ezek pontosan meghatározott molekulákból álló oxidok, amelyekben az oxigénatomok és az adott elem atomja kovalens kötéssel kapcsolódik egymáshoz. Ilyeneket elsősorban nemfémek alkotnak, amelyeknek nagy az elektronegativitásuk (N, C, P, S, H, Cl, Br, I), de az arzén, az antimon és néhány magas oxidációs számú fém (pl. MnVII) is. Ezeknek az oxidoknak a többsége a savképző vagy a semleges oxidok közé tartozik. Példa: SO3, CO. d) Kettős oxidok – molekuláikban két fématomot tartalmaznak, térbeli szerkezetűek. Példa: KNbO3. A peroxidok biner vegyületek, amelyek két, egymáshoz kovalens kötéssel kapcsolódott oxigénatomot (–O–O–) tartalmaznak. Az oxigén oxidációs száma –I. A legismertebb képviselőjük a hidrogén-peroxid (H2O2), amely a vízzel együtt a hidrogén és az oxigén legjelentősebb vegyületei közé tartozik (többet az 1.2. részben). A hidrogén-peroxid olajszerű, színtelen folyadék. Vízben nagyon jól oldódik. Gyenge sav. A hidrogén-peroxid nem állandó, bizonyos anyagok (pl. mangán-dioxid, platina, vér) katalitikus hatására elbomlik. Ugyanakkor bizonyos anyagok – inhibítorok – lassítják a bomlását (kénsav, karbamid).

A hidrogén-peroxid erélyes oxidálószer. Bizonyos erős oxidálószerekkel reagálva viszont a hidrogén-peroxid redukálószerként hathat.

2.31 ábra A hidrogén-peroxid molekula (H2O2) modelljei

55

KÍSÉRLET A hidrogén-peroxid oxidációs és redukciós hatása Egy kémcsőbe öntsünk híg kálium-jodid oldatot (w = 0,1) és néhány csepp híg kénsavval (1:1) savanyítsuk meg. Ezután cseppenként adjunk hidrogén-peroxid oldatot (w = 0,1) a kémcsőbe. Figyeljük a változásokat. A kémiai reakció során jód keletkezik, amit a barna színváltozás jelez. A kísérletet hatáskeltően is bemutathatjuk. A hidrogén-peroxid oldatához (1:1) a sűrűségmérő hengerben néhány csepp híg kénsavat és 10 cm3 koncentrált szaponát oldatot adunk. Ezután a keverékhez 20 cm3 telített kálium-jodid oldatot öntünk. Megfigyeljük a hab képződését, amely a keletkező jódtól barnás színű. A terjeszkedő habból távozó lila jódgőzöket is megfigyelhetjük (a jód szublimál). Ezt a kísérletet – a keletkező termék alapján – „elefánt fogkrémnek” nevezik. Vegyi fülkében dolgozzunk! 2.32 ábra A kálium-jodid és a hidrogén-peroxid reakciója

A kémcsőbe híg kálium-permanganát oldatot (c = 0,02 mol.dm–3) öntünk és néhány csepp híg kénsavval (1:1) megsavanyítjuk. Ezután a kémcsőbe cseppenként hidrogén-peroxid oldatot (w = 0,1) adunk. Megfigyeljük. A kémiai reakció során a hipermangán oldat elszíntelenedik.

1. Állapítsátok meg, hogy a kémiai reakciók közül melyik bizonyítja a hidrogén-peroxid oxidáló és melyik a redukáló hatását. 2. Írjátok le mindkét redoxi reakció részreakcióit. Az oxigén és vegyületei – előfordulásuk és jelentőségük Az oxigén a leggyakoribb elem a Földön. Az elemi oxigén az atmoszféra tiszta levegőjének 21 térfogat %-át alkotja. Kötött formában a hidroszférában (89 %) és a litoszférában (közel 50 %) található. Az oxigén forrása a természetben lejátszódó fotoszintézis:

Az oxigén jelentős biogén elem (makroelem), minden élőlény része. Nélkülözhetetlen a légzésnél. A légzés oxidáció, amely során a levegő oxigénjét a hemoglobin vérpigment megköti a tüdőben. Oxihemoglobin keletkezik, amely az egész szervezetbe eljuttatja az oxigént és a szerves anyagokat vízre és szén-dioxidra bontja le, amelyet kilélegzünk. A hő, amely ebben a reakcióban felszabadul, fenntartja a szervezet belső hőegyensúlyát. Az ózon és az ózonréteg Az ózon mindenekelőtt a légkör magasabb rétegeiben fordul elő, ahol az oxigénből keletkezik az UVsugárzás hatására. Az ózon a földi légkörben nem egyenletesen oszlik el. Függőleges irányban a troposzférában 10–20 % ózon található, az ún. rossz – földközeli ózon, amely a nitrogén-oxidokból keletkezik a napfény hatására, főleg a forgalmas útkereszteződéseknél (füstköd, fotokémiai szmog) fordul elő. A sztratoszférában található az ózon 80–90 %-a, ez az ún. jó ózon, amelynek pozitív funkciója van – ózonpajzsot, védő ózonréteget alkot. A legnagyobb koncentrációk a 19–25 km közötti magasságban vannak. Földrajzi megoszlását tekintve az ózon koncentrációja az Egyenlítő térségében a legkisebb és a sarkok övezetében a legnagyobb. Az ózonréteg védi az élőlényeket a nap ultraibolya sugárzásának negatív összetevőitől. Teljesen elnyeli a csíraölő (germicid) UV-C napsugárzást (ezt már a légköri oxigén (O2) elnyeli) és jelentősen korlátozza az UV-B sugárzást, amely a bőr leégéséért felelős, egyik okozója a bőrrák kialakulásának, a szemlencse homályosodásának, gyengíti az immunrendszert és kedvezőtlenül hat a fényérzékeny anyagokra.

56

p-elemek

Hogy az ózonréteg megfelelően teljesítse a feladatát, kellő vastagnak kell lennie. Az ózonréteg vastagságát ún. Dobson egységekben (DU) adják meg. 1 DU a légkör függőleges oszlopában azaz ózonmennyiség, amely 1013 hPa nyomáson és 15 °C hőmérsékleten 0,01 mm vastag réteget alkotna. Az említett körülmények között az ózon teljes mennyisége 300 DU értéknél 3 mm vastag réteget képezne. Az ózonmennyiség mérésére a Dobson-féle spektrofotométer szolgál.

2.33 ábra Ózonréteg

Az utóbbi években az ózon (O3) fogyását tapasztaljuk a sztratoszférában, sőt már ún. ózonlyukak is kialakulnak. Az ózonréteget károsító anyagok jobbára az emberi tevékenység következtében kerülnek az atmoszférába. A légkör alacsonyabb rétegeiben ezek az anyagok stabilak, de a sztratoszférában a nap UV-sugárzásának a hatására lebomlanak és veszélyes maradékok keletkeznek. Ezek elsősorban a szénhidrogének halogénszármazékai vagy maguk a halogének. Az ózonréteg legnagyobb megbontójának tartották a legutóbbi időkig a freont (CCl2F2), amelyet hűtőközegként vagy sprayek hajtógázaként alkalmaznak. Disszociációjával Cl• szabadgyökök kerülnek a légkörbe, amelyek erőteljesen lebontják a légköri ózont. Ma már ezeknek az anyagoknak a gyártását a nemzetközi megállapodások és egyezmények alapján betiltották. Az Ózonréteg Védelmének Nemzetközi Napja szeptember 16-a. Az ózonréteg védelmében szervezett akciókban jelentős szerepe van a Meteorológiai Világszervezetnek (WMO, World Meteorological Organization). Az oxigén felhasználása széles körű. Az anyagok oxidálására és elégetésére használják. A légzőkészülékek töltőanyaga. Használják fémek hegesztésére és vágására is a hidrogénnel vagy az acetilénnel együtt. Cseppfolyós állapotban a hidrogénnel együtt a rakéták és az űrhajók üzemanyaga. A fémek gyártásánál is alkalmazzák, mindenekelőtt a fémek frissítésénél (bővebben a 3. fejezetben). Az ózon fertőtlenítő hatású. Az ozonizált levegőt az ivóvíz, az olajok, a keményítő, a szerszámok fertőtlenítésére használják. Az ózon erélyes oxidáló hatását gyakran hasznosítják a papírgyártásnál és a cellulóz fehérítésénél. A peroxidok közül különleges jelentősége van a gyógyászatban a hidrogén-peroxidnak. 3 %-os vizes oldata a házi patikákban is megtalálható, elsősorban fertőtlenítőszerként használják. A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • Az oxigén a leggyakoribb elem a Földön. • Az oxigén színtelen, a levegőnél nehezebb gáz. Az atmoszféra tiszta levegőjének 21 térfogat %-át alkotja. A vízben jobban oldódik mint a szén-dioxid, ami lehetővé teszi benne az életet. • Az egyik legjelentősebb biogén elem. Minden aerob szervezet számára létfontosságú.

57

• Az oxigén kétatomos molekula (O2) és háromatomos ózonmolekula (O3) formájában fordul elő. • Az oxigén nagyon reakcióképes, szinte valamennyi elemmel reagál. Mindenekelőtt oxidokat, peroxidokat alkot, a savak, a hidroxidok, a sók alkotórésze. • Jelenléte az égés feltétele. Az égés heves hőtermelő (exoterm) reakció, amikor az anyagok egyesülnek az oxigénnel hőfelszabadulás és fényjelenség következtében. • Az oxidok az oxigén és egy további elem biner vegyületei, az oxigénatom oxidációs száma az oxidokban –II. • Az oxidokat többféle szempont alapján csoportosíthatjuk, pl. lehetnek savképzők, bázisképzők, amfoterek és semlegesek. • Az ózon a sztratoszférában ózonréteget alkot, amely védi az összes élőlényt a kedvezőtlen ultraibolya sugárzástól. • Az oxigént a légzőkészülékek töltőanyagaként, a fémek hegesztésénél és vágásánál vagy a nyersvasból készült acél előállításánál hasznosítják. Oxidálószerként is szolgál (a rakéta hajtóművek számára).

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Válasszátok ki a helyes állítást. Az oxigénatomra érvényes, hogy: a) a fluoratom után a legnagyobb elektronegativitás-értékkel rendelkezik, b) egyes, kettős, és hármas kötéseket is kialakíthat, c) az atommagjában leggyakrabban 8 neutron van, d) az O2– anionok kialakításával elektronszerkezete olyan lesz, mint a neoné. 2. Egészítsétek ki az állítást. Az O2 molekulák normális körülmények között ….. halmazállapotúak. 3. Válasszátok ki a helyes állítást. a) Az oxigén a természetben csak a légkörben fordul elő, mégpedig O2 és O3 formájában. b) Az oxigént világoskék sávval jelölt nyomásos tartályokban szállítják. c) Az oxigén a vegyületeiben csak kettős kötésű lehet. d) A víz az oxigén egyik legjelentősebb vegyülete. 4. Egészítsétek ki a bomlási kémiai reakciók termékeit, amelyekkel oxigén állítható elő. A reakciósémákat alakítsátok át kémiai egyenletekké. a) HgO b) BaO2 c) KNO3 d) MnO2 + H2SO4(konc.) 5. Válasszátok ki a helyes állítást. a) Az ózongáz nem mérgező. b) Az ózonréteg védelmet nyújt a veszélyes UV-sugárzás ellen. c) Az ózont a víz fertőtlenítésére használják. d) Az ózonmolekulában 4 oxigénatom található. 6. Válasszátok ki a helyes állítást. A savalkotó oxidok a következők: a) MgO, Na2O, SiO2, b) CO2, SO3, SO2, c) ZnO, P2O5, CO, d) Al2O3, CaO, SO3. 7. Válasszátok ki a helyes állítást. A hidrogén-peroxidnak: a) csak redukciós tulajdonsága van, b) csak oxidációs tulajdonsága van, c) a körülményektől függően oxidációs és redukciós tulajdonsága is van, d) nincs sem oxidációs, sem redukciós tulajdonsága.

58

p-elemek

8. Az oxidok közül válasszátok ki a bázisképző oxidokat: ZnO, CaO, SO3, Na2O, CO, NO2. 9. Egészítsétek ki a reakcióséma termékeit és alakítsátok át kémiai reakcióvá, ha tudjátok, hogy a kémiai reakcióban a hidrogén-peroxid redukálószerként vesz részt. 10. Magyarázzátok meg, hogyan lehetséges a vízben is élet.

2.7 Kén A kén az EPR 16. csoportjában és 3. periódusában található. A kénatomnak két elektronja hiányzik ahhoz, hogy a legközelebbi nemesgáz elektronszerkezete legyen. Ezeket felvéve S2– anionok jönnek létre. A kovalens vegyületekben a d-elektronpályák jelenléte lehetővé teszi, hogy a –II oxidációs számnál nagyobb értékeket is felvegyen, pl. IV vagy VI. 2.8 táblázat A kén legfontosabb jellemzői

Az elem Magyar vegyjele név S

Kén

Az atom ElektroneZ elektronkon- gativitás figurációja (Pauling) 16

[Ne]3s23p4

2,6

Moláris tömeg/ g · mol–1

32,066

Olvadáspont/ Sűrűség/ °C g · cm–3

119

445

Oxidációs szám

–II, IV, VI

A kén fizikai és kémiai tulajdonságai A kén több kristályos módosulatban fordul elő. A két legstabilisabb módosulatot gyűrűs S8 molekulák alkotják, de atomjaik elrendeződése eltérő. A kristályos formák mellett ismertek a kén amorf formái is, amelyeket plasztikus kénnek és kénvirágnak neveznek. A szilárd kén hevítésével sárga folyadékot kapunk, amely a hőmérsékletet emelve megbarnul és növeli a viszkozitását. Az S8-molekulák felhasadnak és hosszú Sn-láncok jönnek létre. A cseppfolyós ként hirtelen lehűtve amorf plasztikus kén keletkezik. A kéngőzök lehűtésével kénvirág keletkezik, amely sárga por. A kristályos kén szilárd, színe sárga, vízben nem oldódó anyag. Nagyon jól oldódik ugyanakkor apoláris oldószerekben, például a szénkénegben (CS2). Normális hőmérsékleten viszonylag állandó, a hőmérséklet emelésével reakcióképessége nő. Közvetlenül reagál számos elemmel. A hidrogénnel kénhidrogént (szulfánt) alkot, a legtöbb fémmel szulfidok képződése közben reagál. A levegő kén-dioxiddá ég el.

2.34 ábra A kénmolekulák (S8) modelljei

A kén vegyületei A legjelentősebb kénvegyületek: a kénhidrogén és sói, a kén-dioxid, a kén-trioxid, a kénsav és sói. A kénhidrogén (dihidrogén-szulfid, szulfán – H2S) színtelen, kellemetlen (záptojásra emlékeztető) szagú, a levegőnél nehezebb, igen mérgező gáz. A vízben jól oldódik, vizes oldata gyenge, kétértékű sav. A kénhidrogén savból kétféle só vezethető le: a szulfidok (S2–), hidrogénszulfidok (HS–). A szulfidok két elem vegyületei, amelyek közül a kén az elektronegatívabb. A kénhidrogén mindig csak redukáló hatású, mert a kénatomok oxidációs száma a kénhidrogénben –II.

59

2.35 ábra A kénhidrogén-molekula modelljei

A kénhidrogént leggyakrabban a sósav és a vas(II)-szulfid reakciójával állítják elő. Laboratóriumban erre a célra a Kipp-készüléket használják (1.8 ábra).

A kénhidrogén készségesen kapcsolódik az enzimekben kötött nehéz fémekre és a hemoglobinban jelen lévő vasra, ezáltal csökkenti az oxigénmegkötő és -szállító képességét. Sóoldatokba vezetve oldhatatlan szulfidok készíthetők. A kénhidrogénnek ezt a tulajdonságát az analitikus kémiában hasznosítják. KÍSÉRLET A kénhidrogén reakciója fémek kationjaival Az eltérő oldékonysági szorzatok alapján a közeg kémhatásának (pH-értékének) függvényében rosszul oldódó szulfidok nyerhetők. Az alkálifémek, az alkáliföldfémek szulfidjai és az ammónium-szulfid oldódnak a vízben. Kémcsövekbe öntsünk 5–5 cm3 sóoldatot, amelyek az egyes kationokat tartalmazzák. Az oldatba kénhidrogénes vizet (kénhidrogén telített vizes oldatát) öntünk vagy kénhidrogén-gázt vezetünk. Kénhidrogén helyett ammónium-szulfiddal (NH4)2S is kicsapathatjuk a sóoldatokat. Megfigyeljük a rosszul oldódó anyagok, a jellegzetes színű csapadékok keletkezését. A legtöbb fém fekete csapadékot ad, pl. Ag2S, PbS, HgS, CuS, FeS. Narancsszínű csapadék – Sb2S3, sárga csapadék – CdS, fehér csapadék – ZnS, rózsaszínű csapadék – MnS. A kísérletet elvégezhetjük cseppelemzéshez használt üveglapon is. A kén-dioxid (SO2) színtelen, szúrós szagú, mérgező gáz, amely köhögésre és könnyezésre ingerel. Fulladásos halált okoz (0,1 térfogat % a levegőben). A kénatom a kén-dioxidban négyértékű.

2.36 ábra A kén-dioxid molekulák modelljei

A kén-dioxid az egyik légszennyező anyag. A kén-dioxid lehet redukáló- és oxidálószer is. Vízbe vezetve gyenge kétértékű kénessav (H2SO3) keletkezik (valójában hidratált kén-dioxid: SO2·H2O), amely a vizes oldatban részben disszociált. Sóinak két sorozata ismert – hidrogén-szulfitok, amelyekben HSO–3 anionok vannak, és a szulfitok (SO2– 3 ). A kén-dioxid a kén, a kénhidrogén égésekor vagy a szulfidok pörkölésekor keletkezik.

KÍSÉRLET A kén-dioxid előállítása és redukciós tulajdonságainak a kimutatása Égető kanálra kénport szórunk, kb. a közepéig. A ként a gázégő lángjában hevítjük. Amikor a kén olvadni kezd, megsötétedik, behelyezzük az égető kanalat, amelynek a végén dugó van, egy lombikba és bedugaszoljuk. A lombik alján lakmusz indikátoros víz van. Az égető kanalat nem merítjük a vízbe. Egy kis idő elteltével a lombikot megforgatjuk, hogy a gáz a lombikban elkeveredjen a vízzel. Megfigyeljük a víz színváltozását és megmagyarázzuk.

60

p-elemek

A kén-dioxid redukciós tulajdonságait kénsavval savanyított kálium-permanganát oldatba mártott papírcsík segítségével mutatjuk ki, amelynek eredetileg ibolya színe a kén-dioxid atmoszférában elszíntelenedik. A permanganát MnVII MnII-re redukálódott. A kén-trioxid (SO3) gázként molekuláris szerkezetű. A kénatom hatértékű. A kén-trioxid erősen nedvszívó és oxidáló tulajdonságú. A kén-dioxid és az oxigén egyesülésével keletkezik vanádium-pentoxid katalizátor jelenlétében. A reakció hőtermelő (exoterm).

2.37 ábra A kén-trioxid molekula modelljei

A kénsav (H2SO4) színtelen, olajszerű folyadék. Erős, kétértékű sav, vízzel tetszőleges arányban keveredik. Koncentrált kénsavat vízzel elegyítve hő szabadul fel, a keverék felhevül, és akár fröcsöghet is. Minden sav hígításakor hő szabadul fel. Ezért mindig a savat öntjük óvatosan a vízbe és sosem fordítva! A koncentrált (tömény) kénsavnak erősen redukáló hatása van. A szerves anyagok elszenesednek, a sav elvonja belőlük a vizet. Ezért a savval dolgozva be kell tartanunk a biztonságvédelmi szabályokat, nehogy megmarja a bőrt. A tömény kénsavnak oxidációs tulajdonságai vannak, amelyek a hígítás során csökkennek. Magasabb hőmérsékleten néhány nemesfémet is oxidál, pl. a rezet. Hígítva csak a közönséges fémekkel reagál.

2.38 ábra A kénsav molekula modelljei

KÍSÉRLET A kénsav dehidratáló hatása Az óraüvegre helyezett különböző szervesanyag-darabkákhoz (papír, szövet, kockacukor, fa stb.) néhány csepp tömény kénsavat adunk. Az anyagok megfeketednek, amely igazolja az elszenesedésüket. A koncentrált kénsav hatására végbemenő elszenesedést látványosan bemutathatjuk, ha a főzőpohár 1/3-ig töltött kristálycukorhoz (szacharózhoz) savat öntünk. A keletkező szén a felszabaduló szén-dioxid hatására megnöveli a térfogatát, a termék alakja idomul a reakció lefolyását biztosító edény alakjához, ez esetben a főzőpoháréhoz. A külleme alapján ezt a kísérletet „fekete kígyónak” is nevezik.

2.39 ábra A szacharóz reakciója tömény kénsavval

61

A kénsav a kén-trioxid és a víz exoterm reakciója során keletkezik. Ennek a reakciónak a lefolyása nagyon heves, aeroszol képződik. Iparilag ezért a kénsavat úgy gyártják, hogy a kén-trioxidot nem vízben, hanem koncentrált kénsavban oldják fel. Óleum keletkezik, amelyből vízzel hígítva előállítható az adott töménységű kénsav. A kénsav két sorozat sót alkot: szulfátokat és hidrogén-szulfátokat. A SO42– anionokat tartalmazó szulfátok például a kénsav és a fémek, fémoxidok vagy a fémek karbonátjai között végbemenő reakció során keletkeznek. De a kénsav és a hidroxidok közömbösítésével és a szulfidok oxidálásával is. A kénsav egyes sói az oldatokból hidrátok formájában kristályosodnak. Bizonyos hidrátok triviális nevükön ismertek, pl. a rézgálic CuSO4 · 5H2O, zöldgálic (vasgálic) FeSO4 · 7H2O, fehérgálic ZnSO4 · 7H2O. A kén és vegyületei – előfordulásuk és jelentőségük A kén a természetben elemi állapotban és vegyületek formájában egyaránt megtalálható. Elemi állapotban a tűzhányók környékén fordul elő. A kén gyakrabban található vegyületekben lekötve, főleg szulfidokban és szulfátokban, kis mennyiségben mint kénhidrogén a földgázban és a vulkáni gázokban. Számos ipari emisszió tartalmaz kén-dioxidot és a kén-trioxidot. A legjelentősebb szulfid-ásványok: pirit – FeS2, szfalerit – ZnS a galenit – PbS, cinnabarit (cinóber) – HgS, kalkozin – Cu2S és kalkopirit – CuFeS2. A legismertebb szulfátok köz tartozik a már említett Glauber só – Na2SO4 · 10H2O, a gipszkő – CaSO4 · 2H2O és a barit – BaSO4. A legnagyobb kénlelőhelyek Szicília szigetén, az USA-ban és Japánban találhatók.

2.40 ábra Az ásványok: szfalerit, galenit és cinnabarit (fotó: S. Jeleň)

A kén biogén elem – makroelem. Vegyületei redoxi-rendszert alkotnak, amely biztosítja a szervezet redoxi-egyensúlyának a fenntartását. A szervezetben a fehérjék lebomlásakor keletkezik. Számos aminosav, fehérje, hormon, bizonyos vitaminok alkotórésze. Tulajdonságai révén a kalkogének közül fontos biogén elem a szelén – Se is. Régebben ezt az elemet kizárólag toxikusnak tartották. Igen kis koncentrációban azonban hatékony antioxidánsnak bizonyult, csökkenti a sejtekben a káros oxidációs folyamatokat és megóvja a DNS-t a károsodástól. Hiánya a szervezetben növelheti a daganatos és egyéb betegségek kockázatát. A ként mindenekelőtt a kénsavgyártásban, a szuperfoszfát előállításánál (2.5. rész), inszekticidek (rovarölőszerek) és fungicidek (gombaölőszerek) gyártásánál használják. A kálium-kloráttal és az antimonittal (egy antimonásvánnyal) együtt a gyufafejek alkotórésze. A kén-dioxidot fertőtlenítő és fehérítő hatásának köszönhetően a cellulóz fehérítésénél és az élelmiszeriparban használják. A kén-dioxid az egyik fő okozója a savas esők kialakulásának. Fehérítő hatása van a kén-trioxidnak is. A kénsav az alapvető vegyipari nyersanyagok közé tartozik. A vegyipari termékek közül ebből állítanak elő a legtöbbet a világon. Mindenekelőtt műtrágyák, festékek, viszkóz szálak, polimerek, gyógyszerek és robbanóanyagok előállítására használják. Oldatát az akkumulátorokban elektrolitként alkalmazzák. Kereskedelmi forgalomba a hígított oldata (w = 0,96) kerül. Savas esők A savas eső a légköri szennyeződés következménye. A kibocsátott, majd nedves levegőben feloldódott és oxidálódott kén-dioxid és nitrogén-oxidok NOx kénsavvá, illetve salétromsavvá alakulnak át. Amikor eső formájában lecsapódnak, megbontják a vízi ökoszisztémák törékeny egyensúlyát

62

p-elemek

és megemelik a talajsavanyúság szintjét. A szennyezett esővíz mérsékelten savas kémhatású, pH-értéke 5,0–5,6. Savas esőnek azt az esővizet tekintik, amelynek kémhatása pH 2,0 – 5,0 között van. A nitrogén-oxidok és a kén-oxidok forrásai mindenekelőtt a hőerőművek (szilárd fűtőanyagok égetése), a kohászati és a vegyipar, valamint a közlekedés. A magas kéményekből kiengedett oxidokat a szél elszállítja. A savas esők a forrásuktól gyakran jelentős távolságban hullanak le. Nem minden terület képes ugyanúgy reagálni a savas esőre. Ez nagymértékben függ a talaj és a víz vegyi összetételétől. Bizonyos térségek nagy mennyiségű savas esőt képesek elviselni, miközben a környezet kémhatása (pH-ja) számottevően nem változik meg – például a lúgos talajú térségekben. A savas esők az élet valamennyi formáját, a faunát és a flórát, a felszín alatti és a felszíni vizeket, a talajt fenyegetik. Különösen érzékenyek a savas esőkre a tűlevelű erdők. 6–8 év alatt elveszítik tűleveleiket. A tavak és a folyók vizének folyamatos savasodása következtében csökken a halfajok, a vízi növény- és állatfajok egyed és fajszáma is. Bizonyos növény- és állatfajok ellenállók a kémhatás változásával szemben, mások viszont érzékenyek, és a pH csökkenésével csökken a reprodukciós képességük és akár ki is pusztulhatnak. A predátor halak kipusztulása kedvezően hat a vízi rovarvilágra, amely a fauna meghatározó csoportja lesz. A savas tavak nem holt tavak, de lényegesen átalakultak bennük az ökológiai feltételek. A savas esők károsítják a különböző épületszerkezeteket, az épületeket, a műemlékeket. A légkörben található savas aeroszolok károsan hatnak az emberre is. Bekerülnek a légutakba, ingerlik a nyálkahártyát, és ezzel megkönnyítik a fertőzés behatolását a tüdőbe.

2.41 ábra A savas esők keletkezése

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • A kén sárga színű kristályos anyag. Elemi állapotban és vegyületek (mindenekelőtt szulfidok és szulfátok) formájában egyaránt előfordul. • A kén és vegyületei viszonylag reakcióképesek. • A kén és az oxigén reakciója során kén-dioxid keletkezik, amely a nitrogén-oxidokkal együtt a savas esők okozója. • A kén-trioxid és a víz reakciója során kénsav keletkezik. • A kénsav erős kétértékű sav. Erős nedvszívó (dehidratáló) és oxidációs hatású. Gazdasági szempontból a kén legfontosabb vegyülete.

63

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Válasszátok ki a helyes állításokat. a) A kén a természetben csak vegyületek formájában található. b) A kén normális körülmények között szilárd anyag. c) A kén biogén elem, a fehérjékben fordul elő. d) A kén legfeljebb négyértékű lehet a vegyületeiben. 2. Magyarázzátok meg miért jóval kisebb a kénhidrogén forráspontja, mint a vízé, annak ellenére, hogy a moláris tömege majdnem a kétszerese. 3. A kén-dioxid a kénhidrogén égésekor vagy a szulfidok pörkölésekor képződik. Egészítsétek ki a reakciósémákat és alakítsátok át kémiai egyenletté.

4. Egészítsétek ki a kémiai reakciók termékeit és a reakciósémákat alakítsátok át kémiai egyenletté. a) b) c) d) 5. Állapítsátok meg, melyik kémiai reakciókban hat a kén-dioxid oxidálószerként és melyikben redukálószerként. a) b) c) d) 6. Válasszátok ki a helyes állítást. A kén-dioxid a légkörben: a) a savas esők okozója, b) kén-trioxiddá oxidálódik, c) károsítja az ózonréteget, d) számos ipari emisszióban megtalálható. 7. Válasszátok ki a helyes állítást. a) A híg kénsav redukáló hatású. b) A kén-trioxid a savképző oxidok (savanhidridek) közé tartozik. c) A kénsav erős sav. d) A tömény kénsavnak dehidratáló hatása van. 8. Egészítsétek ki az állítást. A kénsav vízzel történő hígításakor úgy járunk el, hogy a …...... öntjük a …...… . 9. Indokoljátok meg, miért van a szennyezett esővíznek enyhén savas kémhatása (pH = 5-6 körül). 10. Válasszátok ki a helyes állítást. A híg kénsavban a következő fémek oldódnak: a) Zn, Fe, Mg, b) Cu, Ag, Au, c) Ca, Hg, Au, d) Cu, Ag, Co. 11. A szulfátok hidrátjai nagyon elterjedt vegyületek, ezeket triviális nevükön is ismerik. Alkossatok párokat. 1) zöldgálic A) CuSO4 · 5H2O B) Na2SO4 · 10H2O 2) fehérgálic C) CaSO4 · 1/2H2O 3) Glauber-só D) ZnSO4 · 7H2O 4) gipszkő E) FeSO4 · 7H2O 5) rézgálic F) CaSO4 · 2H2O 6) gipsz

64

p-elemek

2.8 Halogének A halogének az EPR 17. csoportjában helyezkednek el. Ide tartoznak: fluor, klór, bróm, jód és a radioaktív asztácium. Atomjaikban hét vegyértékelektron található, valamennyi nemfém. 2.9 táblázat A halogének legfontosabb jellemzői (az asztácium kivételével)

Az elem vegyjele

ElektroneAz atom elektrongativitás konfigurációja (Pauling)

Moláris tömeg/ g · mol–1

Magyar név

Z

F

Fluor

9

[He]2s22p5

4,0

18,998

Cl

Klór

17

[Ne]3s23p5

3,2

35,453

Br

Bróm

35

[Ar]3d104s24p5

3,0

79,904

I

Jód

53

[Kr]4d105s25p5

2,7

126,904

Az X2-molekulák modelljei

a 2.9 táblázat folytatása

Az elem vegyjele

Olvadáspont/°C

Forráspont/°C

Sűrűség / g · cm–3

Oxidációs szám

F

–223

–187

0,0017

–I

Cl

–101

–34

0,0032

–I, I, III, V, VII

Br

–7

59

3,103

–I, I, III, V, VII

I

114

184

4,933

–I, I, III, V, VII

A halogének fizikai és kémiai tulajdonságai A halogének közönséges körülmények között kétatomos X2 molekulákat (X = F, Cl, Br, I) alkotnak, amelyekben az atomok egyszeres apoláris kötéssel kapcsolódnak egymáshoz. Valamennyi halogén mérgező. Vízben alig oldódnak, jól oldódnak apoláris oldószerekben. A fluor zöldessárga, a klór sárgászöld színű gáz, a bróm barnásvörös folyadék. A jód sötét szürke szilárd kristályos anyag, amely szublimál. A jódgőzök ibolya színűek és toxikusak. A halogénatomoknak nagy az elektronegativitásuk. A legközelebbi nemesgáz stabilis elektronszerkezetét egy elektron felvételével érik el, miközben X– halogenid-aniont képeznek. Az ismert elemek közül a fluoratom elektronegativitása a legnagyobb. A fluor oxidációs száma vegyületeiben csak –I lehet. A többi halogénnek pozitív oxidációs száma is lehet, de csak olyan elemek atomjaival alkotott vegyületekben, amelyeknek nagyobb az elektronegativitása (pl. oxigén, fluor). Ezek a halogének a kémiai kötésükbe d-elektronpályáik elektronjait is bekapcsolhatják, ezért fordul elő körükben a többértékűség is (3, 5, 7). A halogének erősen reakcióképesek. Reaktivitásuk a fluortól a jód felé haladva csökken. Oxidációs tulajdonságaik vannak, amelyek ugyancsak a fluortól a jód irányában csökkennek. Ennek az a következménye, hogy kisebb rendszámú halogén oxidálja a nagyobb rendszámú halogént.

65

Az elemi halogéneket halogenid anionok X– oxidálószerekkel végzett oxidálásával vagy a halogenidek oldatainak elektrolízisével állítják elő. A klórt iparilag a majdnem telített nátrium-klorid oldat – sólé – elektrolízisével állítják elő diafragmás vagy higanykatódos (amalgámos) módszerrel. Mindkét esetben a klór a negatív szén- (grafit-) elektródon válik ki, ahol az anódos oxidáció játszódik le.

KÍSÉRLET A klór előállítása és hatásai A klórt a sósav oxidációjával állítjuk elő erős oxidálószerekkel, leggyakrabban mangán-dioxiddal (barnakővel) vagy kálium-permanganáttal.

Szívókémcsőbe vagy desztilláló lombikba 0,1 g mangán-dioxidot vagy hipermangánt szórunk. A választó tölcsérből hozzáadunk kb. 2 cm3 koncentrált sósavat. Megfigyeljük a klór képződését, amelyre jellemző a sárgászöld színe és a szaga. A klórt a kémcső elvezető csövével felfogjuk. A klór képződését egy megnedvesített kálium-jodidos keményítős papírral mutatjuk ki a kémcső nyílásához illesztve. A klór által kiszorított jód kékre festi a papíron levő keményítőt. A kémcsőbe, amelyben a klór keletkezik, behelyezünk egy tintával megnedvesített papírt vagy egy virágszirmot. Megfigyeljük az elszíntelenedést. A keletkező klórgázt egyenesen a szennyvízbe vezethetjük (a legjobb, ha a váza bűzlő állott vizébe, amelyben huzamosabb ideig vágott virágok voltak). Megfigyeljük a klór fertőtlenítő hatását, a víz határozottan kevésbé bűzlik. Vegyi fülkében dolgozzunk! A halogénvegyületek A halogének legjelentősebb vegyületei közé a hidrogén-halogenidek (halogénhidrogének), a halogenidek, az oxidok, az oxosavak és sóik tartoznak. A hidrogén-halogenidek (HX) színtelen, szúrós szagú gázok. Valamennyi hidrogén-halogenidet közvetlenül az alkotó elemek szintézisével állíthatjuk elő vagy erős savakkal hatva a halogenidekre. A legjelentősebb közülük a hidrogén-klorid (HCl).

A hidrogén-halogenidek nagyon jól oldódnak a vízben. A hidrogén-halogenidek vizes oldatait hidrogén-halogenid savaknak nevezik (de többnyire a triviális nevüket használjuk – a ford. megj.). Igen erős savak, a hidrogén-fluorid sav (folysav) kivételével, amely közepesen erős sav. A savak erőssége a HF < HCl < HBr < HI irányában nő. A fluorhidrogén sav marja az üveget (2.3. rész). A legjelentősebb halogénhidrogén sav a sósav – HCl – (kiindulási anyaga a kősó, innen a név). A koncentrált sósav a hidrogén-klorid oldata, tömegtörtje w = 0,36. A vízben szinte teljesen disszociált állapotban található.

2.42 ábra A sósavmolekula modelljei

66

p-elemek

A halogénhidrogén savak sóit halogenideknek nevezik, X– aniont tartalmaznak. Ezek a halogének kisebb elektronegativitású elemekkel alkotott biner vegyületei. A legtöbb halogenid oldódik a vízben. Előállíthatók például: • az elemek közvetlen egyesülésével • a közönséges fém és a halogénhidrogén sav reakciójával • a hidroxid és a halogénhidrogén sav reakciójával • bizonyos fémek oldatainak és a halogénhidrogén savnak, vagy a halogenid oldatának a reakciójával

KÍSÉRLET A hidrogén-klorid előállítása és tulajdonságai Szívókémcsőbe vagy desztilláló lombikba 0,5 g nátrium-kloridot szórunk. A választótölcsérből kb. 2 cm3 koncentrált kénsavat csepegtetünk hozzá. A keletkező hidrogén-kloridot egy csövön vízzel töltött főzőpohárba vezetjük, közvetlenül a víz színe fölé, amelybe néhány csepp lakmuszt tettünk. Azt látjuk, hogy rövid idő múlva a víz pirosra festődik. A hidrogén-klorid gáz oldódik a vízben, és sósav oldat keletkezik. A halogének oxigénvegyületei közé tartoznak az oxidok, az oxosavak és sóik. A legstabilisabb oxigénvegyületei a jódnak vannak, az oxidok közül a legállandóbb a jód-pentoxid (I2O5). A fluorral alkotott vegyületeiben az oxigénnek pozitív oxidációs száma van, az oxigén fluoridjairól beszélünk, pl. OF2. A halogének oxosavai jobbára vizes oldatokban léteznek. Vízmentes, tiszta formában csak a következő savakat izolálták: HClO4, HIO3 és H5IO6. Az oxosavak erőssége a halogén emelkedő oxidációs számával arányosan nő, pl. HClO < HClO2 < HClO3 < HClO4. A halogének oxosavainak legjelentősebb sói a klorátok és a perklorátok, amelyek erélyes oxidálószerek. A halogének és vegyületeik – előfordulásuk és jelentőségük A halogének nagy reakcióképességük miatt a természetben nem fordulnak elő elemi állapotban. A halogenidekben lekötve találhatók, pl. a fluorit (CaF2 – folypát), a halit (NaCl – kősó) vagy a szilvin (KCl). Nagy mennyiségű oldott halogenid van a tengervízben. A fluorvegyületek az emlősök szervezetében is előfordulnak, részei a csontoknak és a fogzománcnak. A fluorfölösleg azonban a csontokat és a fogakat törékennyé teszi és alaki változásokat is okoz. A klór az ozmózisnyomás szabályozásában, valamint a szervezet sav-bázis egyensúlyának a fenntartásában közreműködik. Sósav formájában lekötve a gyomornedv alkotórésze; a HCl vizes oldatának koncentrációja c = 0,01 mol · dm–3, pH = 2. Jelentős szerepe van az emésztésben. A jód a pajzsmirigyben képződő tiroxin hormon alkotórésze. Hiánya a strúma nevű pajzsmirigy-betegség okozója. A halogének fontos nyersanyagok számos szervetlen és szerves anyag gyártásánál. A fluor és a fluoridok a fogkrémek alkotórészei, mert gátolják a száj mikroflórájának anyagcseréjét, és ezzel elejét veszik a fogszuvasodásnak és megszilárdítják a fogzománcot. A klór több vegyületét fertőtlenítővagy fehérítőszerként alkalmazzák: a nátrium-klorid és a nátrium-klorát keverékét, a kalcium-klorid és a kalcium-klorát keverékét, az ún. klórmeszet. A klórt az ivóvíz fertőtlenítésére használják. A polivinilkloridnak is az egyik összetevője, ez PVC rövidítés alatt ismert. A jód 5 %-os alkoholos oldata, amelyben kálium-jodid is van, jódtinktúra néven ismert gyógyászati fertőtlenítőszer. A bróm az egészségügyi létesítményekben ma gyakran használt fertőtlenítőszer, az Ajatin alkotórésze. Bromidokat a központi idegrendszerre ható gyógyszerek – nyugtatók – is tartalmaznak. A nátrium-jodid és a kálium-jodid bizonyos szemcseppek hatóanyagai. A klorátokat és a perklorátokat a pirotechnikában alkalmazzák robbanóanyagok előállítására. Klorátok találhatók a gyufafejekben is.

67

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • A halogének normális körülmények között kétatomos molekulákként X2 fordulnak elő. • A fluor és a klór normális körülmények között gáz. A bróm folyadék, a jód szilárd anyag. • A halogének nagyon reakcióképesek, reaktivitásuk a fluortól a jód felé haladva csökken. • A hidrogénnel a halogének hidrogén-halogenideket (halogénhidrogéneket) alkotnak (HX). Vizes oldataik halogénhidrogén savak. • Alkalmazás szempontjából a legjelentősebb halogén a klór és vegyületei, amelyeket fertőtlenítésre használnak.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Egészítsétek ki a táblázatot úgy, hogy helyesen jellemezze a halogének halmazállapotát és színét normális körülmények között. elem bróm

halmazállapot

szín

gáznemű

sötétszürkétől a lilásfeketéig zöldessárga sárgászöld

fluor

2. Indokoljátok meg a halogének nagy reakcióképességét. 3. Válasszátok ki a helyes állítást. Az elemi halogének előállíthatók: a) a halogének oxovegyületeinek elbontásával, b) a halogenid anionok oxidációjával, c) elektrolízissel, d) alkálifém-kloridok olvadékának hőbontásával. 4. A halogének egyik legfontosabb lelőhelye a ……….. víz. 5. Válasszátok ki a helyes állítást. a) A klórt a cseppfolyós levegő szakaszos lepárlásával nyerik. b) A klórt és néhány vegyületét fertőtlenítőszerként alkalmazzák. c) A klór vegyületeit – a klorátokat a robbanószerek gyártásánál használják. d) A sósavat vízből és klórból állítják elő. 6. A pajzsmirigyben található egy halogén, amelynek szintjét a szervezetben egy konyhasóba kevert adalék is segíti megtartani. Írjátok fel a halogén nevét és azt is, milyen néven forgalmazzák az így kezelt konyhasót. 7. Válasszátok ki a helyes állítást. A halogénhidrogén savak: a) nagyon erős savak, a hidrogén-fluorid kivételével, b) nagyon gyenge savak, c) nagyon erős savak, a jódhidrogén sav kivételével, d) egyértékű savak. 8. Egészítsétek ki az állításokat. A …………….. sav a gyenge savak közé tartozik és marja az üveget. A …………….. sav a gyomornedv része. 9. Rendezzétek sorba a savakat erősségük szerint, a leggyengébbtől a legerősebbig: HClO2, HClO, HClO3, HClO4. 10. Rendezzétek sorba a savakat a leggyengébbtől a legerősebbig: HF, HI, HCl, HBr. 11. Keressétek ki a savak disszociációs állandóinak értékeit és hasonlítsátok össze az erősségüket. A savakat a leggyengébbtől a legerősebbig rendezzétek sorba: H2SO4, HCl, HNO3, HIO4, H2CO3, H3PO4.

68

p-elemek

2.9 Nemesgázok A nemesgázok az EPR 18. csoportjában találhatók. Ide tartoznak a következő elemek: hélium, neon, argon, kripton, xenon, radon. Ezekre az elemekre jellemző, hogy vegyértékelektronjaik teljesen elfoglalják az elektronburok külső héját. Valamennyi nemfém. 2.10 táblázat A nemesgázok legfontosabb jellemzői

Az elem Magyar vegyjele név

He

Z

Az atom elektronkonfigurációja

Hélium 2

4,00

–272

–269

0,00018

–249

–246

0,0009

39,95

–189

–186

0,0018

83,80

–157

–153

0,004

131,30

–112

–108

0,006

222

–71

–62

0,0097

10

[He]2s22p6

Ar

Argon 18

[Ne]3s23p6

Kripton 36

10

2

[[Ar]3d 4s 4p

6

Xenon 54

10

2

6

Rn

Radon 86

[Kr]4d 5s 5p 14

Sűrűség/ g · cm–3

20,18

Neon

Xe

Olvadáspont/°C Forráspont/°C

1s2

Ne Kr

Moláris tömeg/ g · mol–1

10

2

6

[Xe]4f 5d 6s 6p

A nemesgázok fizikai és kémiai tulajdonságai A nemesgázok normális körülmények között gázok, amelyeket az egyes nem kötődött atomok alkotnak. Az atmoszférában a tiszta levegő 0,9 térfogat %-át teszik ki (a legnagyobb rész az argonra jut, a legkisebb arányban a xenon és a radon van jelen). A cseppfolyós levegő többszöri szakaszos lepárlásával állítják ezeket elő. A nitrogén- és az oxigéngyártás melléktermékei. A nemesgázok reakcióképtelenségéért a teljesen betöltött atompályák okolhatók a vegyértékhéjon. Jellemző rájuk, hogy rendkívül csekély mértékben képesek vegyületeket alkotni. Ezt inert (közömbös) tulajdonságnak is nevezik. A nemesgázok vegyületei A nemesgázok, konkrétan a xenon első vegyületeit 1962-ben állították elő. Ezek nagy elektronegativitású elemekkel képzett vegyületek voltak. A hélium, a neon és az argon vegyületei mindmáig ismeretlenek. Napjainkban a legalaposabban áttanulmányozott vegyület a xenon-trioxid – XeO3. Szilárd állapotban nagyon robbanékony, vizes oldata erélyes oxidálószer. A xenon biner vegyületeket is alkot; a fluorral – fluoridokat. Ismert a xenonsav és a kriptonsav is. A nemesgázok és vegyületeik – előfordulásuk és jelentőségük A héliumot – tekintettel rendkívül alacsony sűrűségére és inert viselkedésére – léggömbök és léghajók töltésére használják. Helyettesíti a könnyebb, de gyúlékony hidrogént. A hélium, az oxigén és a nitrogén elegyével töltik a búvárpalackokat a nagy mélységekbe történő merüléshez. A neonnal együtt a gázlézerek készítésénél is használják. Hűtőanyagként is szolgál. A hidrogén után a hélium a leggyakoribb elem a világűrben. Mindenekelőtt az összes világító csillagban megtalálható, ahol a termonukleáris fúzió egyik köztiterméke. A neont, az argont, a kriptont és a xenont izzólámpák, világító testek és gázkisülési csövek („fénycsövek”) töltésére használják. A xenon a gépjárművek világító testeinek, a fényképezőgép vakujának (villanófényének) töltőanyaga, de az éjjellátókban is alkalmazzák (infravetők). Az argon a leggyakoribb nemesgáz. Inert atmoszféra kialakítására használják a kémiai szintéziseknél, továbbá az ablaküvegek közötti tér kitöltésére. A radioaktív radont a daganatos betegségek gyógyításánál alkalmazzák. Fokozatosan megfelelőbb radioizotópokkal váltják fel, ezeknek hosszabb a felezési idejük. Légkörben a 222 86Rn radioaktív izotóp mindenütt jelen van, a koncentrációját a levegő más összetevőivel együtt rendszeresen figyelik.

69

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • A nemesgázok vegyértékhéján valamennyi elektronpálya be van töltve. • Szinte reakcióképtelenek. • Csak nagy elektronegativitású elemekkel képeznek vegyületeket. • A nemesgázok a tiszta légkör 0,9 térfogat %-át alkotják.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. A nemesgázok közül a következő elem a leggyakoribb: a) xenon, b) a földi légkörben az argon, a világűrben a hélium, c) a földi légkörben a hélium, a világűrben a neon, d) neon. 2. Válasszatok párokat: A) hélium B) neon és kripton C) argon D) xenon E) radon

70

1) a gyógyászatban alkalmazott radioizotóp 2) a xenonlámpák és világítótestek töltőanyaga 3) inert atmoszféra 4) léghajók töltőanyaga 5) reklámfények, fénycsövek

d-elemek

3 d-elemek A d-elemek közé azokat soroljuk, amelyek atomjainak vegyértékelektronjai az ns1 – 2 és a (n–1)d1 – 10 elektronpályákon találhatók, ahol n 4 és 7 között van (a periódus száma). Ezek az EPR 3-tól 12-ig terjedő csoportjának az elemei (3.1 ábra). A d-elemek az EPR-ben az s- és a p-elemek tömbje között találhatók. A d-elemek atomjainak vegyértékhéján általánosságban az elektronszerkezet (n-1)dy nsx, ahol az x + y összeg adja meg a csoport sorszámát. Ezeket átmeneti fémeknek nevezik, mivel nem kötött állapotban vagy bizonyos oxidált állapotukban a d-elektronpályák nincsenek teljesen elfoglalva. E definíció alapján a 12. csoport elemei (Zn, Cd, Hg) nem tartoznak az átmeneti fémek közé, mert d-pályájuk teljesen fel van töltve. Tulajdonságaikat tekintve azonban nagyon hasonlítanak az átmeneti fémekre. A d-elemek az EPR 4-től 7-ig terjedő periódusában találhatók, számuk 40.

3.1 ábra Az EPR d-elemei

A d-elemek atomjainak elektronszerkezetére jellemző, hogy stabilak, amelyekben az s elektronpályákat két elektron foglalja el és a d pályák fokozatosan töltődnek fel elektronokkal. Ez alól a króm- és a rézatomok jelentenek kivételt. A krómatom számára energetikailag előnyösebb, ha a 4s pályán egy elektron van és a d pályák félig be vannak töltve. A krómatomnak kisebb az energiaértéke [Ar]3d54s1 elektronszerkezet mellett, mintha a konfigurációja [Ar]3d44s2 lenne. A rézatom számára energetikailag előnyösebb az az elektronszerkezet, ha a d pályák teljesen be vannak töltve és a 4s atomi orbitálon csak egy elektron van – [Ar]3d104s1 és nem [Ar]3d94s2. A 4d- és a 6d-elemek esetében még több kivétel van. 3.1 táblázat A 3d-elemek főbb jellemzői Az elem Magyar vegyjenév le Sc

Z

Szkandium 21

ElektroneAz atom elektrongativitás konfigurációja (Pauling) [Ar]3d14s2 2

2

1,4

Moláris tömeg/ g · mol–1

Olvadáspont/°C

Sűrűség/ g · cm–3

44,956

1539

3,00

Oxidációs szám III

Ti

Titán

22

[Ar]3d 4s

1,5

47,867

1668

4,51

II, III, IV

V

Vanádium

23

[Ar]3d34s2

1,6

50,942

1900

6,10

II, III, IV, V

Cr

Króm

24

[Ar]3d54s1

1,66

51,996

1857

7,19

II, III, IV, V, VI

Mn

Mangán

25

[Ar]3d54s2

1,55

54,938

1245

7,43

II, III, IV, V, VI, VII

Fe

Vas

26

[Ar]3d64s2

Co

Kobalt

27

1,8

55,845

1535

7,86

II, III

7

2

1,9

58,933

1495

8,90

II, III

8

2

[Ar]3d 4s

Ni

Nikkel

28

[Ar]3d 4s

1,9

58,693

1453

8,90

II, III

Cu

Réz

29

[Ar]3d104s1

1,9

63,546

1083

8,96

I, II

1,65

65,38

419,5

7,14

II

Zn

Cink

30

10

[Ar]3d 4s

2

* kövér betűkkel a legstabilisabb oxidációs számokat jelöltük

71

A d-elemek tulajdonságai A d-elemeknek sok közös tulajdonságuk van. Némelyek közösek a csoporton belüli elemekre vonatkoztatva, de a periódusokban találhatókra is. Ezért gyakran a fémhármasok közös tulajdonságait nemcsak a csoportban, hanem az EPR-ben a periódusban vízszintesen egymás mellett elhelyezkedő fémhármasok esetében is feltüntetik. Pl. függőleges irányban ezek a 3-tól a 7. csoportig terjedő elemek és a 11. és 12. csoportban található elemek. Az EPR 8-tól a 10. csoportig terjedő d-elemek vízszintesen vannak hármasokba rendezve. Ezeket a hármasokat (triádokat) külön is elnevezték: vascsoport (Fe, Co, Ni), könnyű platinafémek csoportja (Ru, Rh, Pd), nehéz platinafémek csoportja (Os, Ir, Pt). A d-elemek számos tulajdonságát általánosíthatjuk. A d-elemek legfontosabb közös fizikai és kémiai tulajdonságainak áttekintését soroljuk fel. a) Valamennyi d-elem fém, jól vezetik az elektromos áramot és jó hővezetők is. b) Kovácsolhatók és nyújthatók, fényesek. Többnyire kemények, jól tűrik a nyíró hatásokat, különösen más fémekkel vagy nemfémekkel elegyítve – az ötvözetekben, amelyeket a fémek egymással alkotnak (3.2 táblázat). 3.2 táblázat Néhány ötvözet összetétele és alkalmazásuk

Az ötvözet neve

Az ötvözet összetétele

Az ötvözet felhasználása

Alpaka

Ni, Zn, Cu

dísztárgyak

Amalgámok

Hg + Ag, Cu, Zn

fogászat

Bronz

Sn, Cu

fegyverek, harangok, dísztárgyak készítése

Dúralumínium

Al, Cu, Mg

repülőgép-konstrukciók

Konstantán

Ni, Mn, Cu

hőelemek és tükörvas előállítása

Öntött vas

Fe, C (több mint 2,14 % tartalomgépipar mal), más elemek (Mn, Si, S)

Betűfém

Sb, Sn, Pb

nyomdászatban betűöntésre

Sárgaréz

Zn, Cu

hangszerek, dísztárgyak, különböző alkatrészek, csapágyak

Rozsdamentes acél Fe, C, Cr, Ni

szerkezeti anyagok főleg a magtechnikában

Rugóacél

Fe, C, Cr

rugók és borotvapengék

Forrasz

Sn, Pb

fémek forrasztása

c) Rendszerint nagy sűrűségűek és magas olvadáspontúak (3.1 táblázat). Rendkívül alacsony az olvadáspontja a higanynak (Hg) -38,9 °C, normális körülmények között ez az egyetlen folyékony fém. d) Ionizációs energiájuk és elektronegativitás-értékük is kicsi (3.1 táblázat). e) Készségesen alkotnak kationokat, többségük redukálószer. f) Annak köszönhetően, hogy a vegyértékhéj d-pályái nincsenek teljesen feltöltve, atomjaik a vegyületekben meglehetősen változatos oxidációs számokat mutatnak (3.1 táblázat). Kivételt képez ez alól a Zn, Cd és a Hg, atomjaiknak ugyanis lezárt elektronszerkezetük van. g) Színes vegyületeket alkotnak, kivéve az üres ionokat (pl. Sc3+) vagy a teljesen feltöltött d-pályával rendelkezőket (pl. Cu+, Ag+, Zn2+), amelyek színtelenek (3.3 táblázat). h) Normális körülmények között viszonylag állandók. Magasabb hőmérsékleteken a d-elemek közvetlenül egyesülnek számos nemfémmel, főleg a klórral, az oxigénnel és a kénnel. i) Koordinációs (komplex) vegyületeket képeznek, amelyekben többnyire központi (centrális) atomként szerepelnek (elektron-akceptorok, elektronokat vesznek fel szabad d-pályáikra). j) A d-elemek alacsonyabb oxidációs számú oxidjai többnyire bázisképzők (CuO), esetleg amfoterek (MnO2), a d-elemek magasabb oxidációs számú oxidjai savképzők (CrO3, Mn2O7). k) Számos d-elem katalizátorként működik a kémiai reakcióknál és az élőlények biokémiai folyamatainál.

72

d-elemek

3.3 táblázat Néhány d-elem hidratált ionjának színe

Vanádium

Króm

Mangán

2+

ibolya

Cr

2+

kék

Mn

2+

3+

zöld

Cr

3+

zöld

Mn

3+

2+

kék

CrO4

2–

sárga

MnO4

–

sárga

Cr2O7

2–

narancs

MnO4

V V

VO

VO3

Vas

világos rózsaszín

Fe

2+

vörösesbarna

Fe

3+

2–

zöld

–

ibolya

Réz +

színtelen

2+

kék

zöld

Cu

barnássárga

Cu

3.2 ábra A krómvegyületek színe sorrendben: Cr2O3, K2CrO4, (NH4)2Cr2O7

KÍSÉRLET A vanádium-vegyületek színfüggése az oxidációs számtól A lombikban levő 10 cm3 ammónium-metavanadát oldathoz (w = 0,01) öntsünk 1 cm3 tömény kénsavat. Elkeverjük, hozzáteszünk 3 cinkszemcsét, bedugaszoljuk és a keveréket a lombikban kevergetjük. Rövid idő múlva színváltozást tapasztalunk (ha nem következne be, tegyünk még 2 cinkszemcsét vagy cinkport a keverékbe). Az eredetileg sárga színű oldat előbb kékre, majd zöldre, végül ibolyaszínűre vált. Amennyiben a színváltozás csak lassan menne végbe, a keverékhez néhány rézgálic-kristályt adunk. A d-elemek előfordulása és gyártása Az átmeneti fémek a természetben termésfémként és vegyületek formájában egyaránt megtalálhatók. A szkandiumtól a vasig terjedő elemek elsősorban oxigénnel alkotott vegyületek (oxidok és oxigénes anionok), a vastól a cinkig szulfidok formájában fordulnak elő. A természetben a fémekkel elemi állapotban csak ritkán találkozunk, és akkor is csak a kevésbé reaktív fémek esetében, mint pl. az arany, az ezüst vagy a platina. A fémeket érceikből nyerik. A gyártásmódjuk függ az adott érc kémiai összetételétől. Az ércbányászat és a fémek előállítása energiaigényes és gyakran a környezetszennyezés kockázatával jár (főleg a SO2képződés miatt). A fémek gyártásánál főleg a következő eljárásokat alkalmazzák: hőbontás, redukciós folyamatok és elektrolízis. Némelyiket már ismeritek, pl. a nátrium és az alumínium előállítása. Leírtuk már az aluminotermia lényegét is, azaz a fémek kinyerését oxidjaikból alumínium redukciójával (2.1. rész). Gyakran használt redukálószer a fémgyártásnál a szén vagy a szén-monoxid. A fejezet további részeiben részletesebben foglalkozunk néhány d-elemmel, valamint azok csoportjaival. A következő elemek ezek: króm, mangán, vas, a rézcsoport és a cinkcsoport elemei.

73

3.1 Króm A króm ezüstfehér, nagyon kemény fém. A levegőn állandó, reagál a sósavval és a kénsavval. Salétromsavban a króm passziválódik, védő oxidréteget (Cr2O3) alakít ki. A levegő ellenáll a korróziónak. A krómnak viszonylag sokféle vegyülete van, ezekben a krómatom oxidációs száma különböző lehet. A legismertebbek közé tartozik a króm(III)-oxid (Cr2O3), amely amfoter jellegű és a vízben nem oldódik. A króm(VI)-oxidot (CrO3) feloldva krómsav (H2CrO4) keletkezik, amely erélyes oxidálószer. A laboratóriumban a kálium-dikromát és a koncentrált kénsav reakciójával állítják elő. Ezt a keveréket krómkénsavnak nevezik és a kémiai laboratóriumokban a laboratóriumi üvegek és edények tisztítására használják. A kromátok (M2CrO4) és a dikromátok (M2Cr2O7) oxidálószerek. A VI oxidációs számú krómvegyületek igen toxikusak, rákkeltők. A közeg pH-jának (kémhatásának) megváltoztatásával befolyásolhatjuk a kölcsönös átalakulásukat. A kromátok vizes oldatai csak alkalikus közegben állandóak. Oldataikat megsavanyítva átalakulnak dikromátokká.

A dikromát króm(III) vegyületté alakítható, ha például ammónium-dikromátot hő hatására elbontunk, miközben nitrogén, króm(III)-oxid és víz keletkezik (2.4. rész, kísérlet, nitrogén előállítása). A dikromátok króm(III) sókká történő redukcióján alapul az alkoholfogyasztást kimutató alkoholszonda; a dikromátokat a kilélegzett etanol redukálja. A III oxidációs számú króm az ember számára nagyon alacsony koncentrációban biogén elem. Komplex vegyület formájában részt vesz a glükóz biokémiai hasznosításában, a vérben fenntartja a glükóz szintjét. Felelős a vér normális koleszterin- és lipoprotein-szintjéért is. Kihat a fehérjék, a zsírsavak, a nukleinsavak (DNS, RNS) szintézisére. Hiánya az inzulin-anyagcsere zavarainak kialakulására van hatással. A Cr3+ ionok megtalálhatók az emberi szervezet valamennyi szövetében és testnedvében, főleg a vesében, a lépben, a mellékherében és a herében. A legtöbb króm a hajszálakban halmozódik fel. A króm a testsúly csökkentését elősegítő legális készítmények egyik legfontosabb összetevője, mert tulajdonképpen csökkenti az édességek fogyasztása iránti vágyat. A krómot többnyire aluminotermiával állítják elő vagy a kromit (Cr2O3) nevű ásvány szénnel végrehajtott redukciójával. Krómot és nikkelt adagolva az acélhoz rozsdamentes acélt lehet előállítani (3.2 táblázat), amely ellenáll a nedvességnek, a savaknak és nagy keménység jellemzi. Evőeszközöket, sebészeti kellékeket, golyóscsapágyokat állítanak elő belőle. A krómot a galvanizálásnál is alkalmazzák: elektrolitikus úton vékony fémbevonatokat visznek a fémek felületére (krómozás). A króm színes vegyületeiből festékeket állítanak elő vagy maguk is pigmentekként szolgálnak. Ilyen például a króm(III)-oxid, amelyet krómzöldnek is neveznek és az ólom-kromát, amely krómsárga néven ismert.

3.2 Mangán A mangán ezüstösen csillogó, nagyon kemény törékeny fém. A nedves levegőn oxidálódik. Híg savakban és lúgokban is oldódik hidrogén képződése közben; mangán(II) sók keletkeznek. Por alakjában a vízzel is reagál. A mangán nem passziválódik. A mangán legfontosabb érce a piroluzit (MnO2), amelyből a mangánt aluminotermiával állítják elő. A mangán vegyületei közül a legismertebb a mangán(II)-dioxid (MnO2) és a kálium-permanganát – KMnO4 – (hipermangán). Mindkét vegyület erélyes oxidálószerként használatos. A mangán-dioxid számos kémiai reakciónál katalizátorként működik. A kálium-permanganát sötétlila színű kristályos anyag, amely nagyon jól oldódik a vízben. Erős fertőtlenítő hatása van.

74

d-elemek

A mangánt az acélhoz is adagolják, így keletkezik a mangánacél, amely a nagy igénybevételnek kitett gépalkatrészek gyártására alkalmas. Redukáló képességének köszönhetően és hogy váltogatja a színét, a redoxi titrálási módszer– permanganometria alapanyaga (mérőoldata). A mangán szerepe az élőlényekben csak nem régóta ismert. Az emberi szervezet valamennyi sejtjében megtalálható, a legnagyobb mennyiségben a csontokban, a májsejtekben, a hasnyálmirigyben és a vesében. A mangán néhány enzim alkotórésze. Közreműködik a központi idegrendszer normális működésében. A vassal és a rézzel együtt a sejtek helyes fejlődéséért felelős.

3.3 Vas A vas az átmeneti fémek közül a legjelentősebb. A tiszta vas ezüstösen fénylő puha, kovácsolható fém, technikai szempontból jelentéktelen. Jelentős viszont a különböző anyagokat tartalmazó ún. „műszaki vas”. Ferromágneses tulajdonságai vannak, ezeket azonban a hőmérséklet emelkedésével fokozatosan elveszíti. A vas híg savakban oldódik, vas(II) só és hidrogén keletkezik. Alkalikus hidroxidokkal a vas nem lép reakcióba. Koncentrált kénsavban és salétromsavban a vas passziválódik. Normális hőmérsékleten a vas csak kevéssé reakcióképes, magasabb hőmérsékleten egyesül például az oxigénnel, a kénnel és a klórral. A vegyületekben a vasatomoknak II vagy III az oxidációs száma. A III oxidációs számú vas vegyületei stabilisabbak, mert ebben az állapotban tesz szert a vas az [Ar]3d5 elektronszerkezetre. A vas(II)-oxid (ferro-oxid) FeO mint köztitermék keletkezik a vasgyártás során. Nem állandó és már alacsonyabb hőmérsékleten diszproporcionál vas(II, III)-oxidra (ferro-ferri-oxid, mágnesvasérc) Fe3O4 és vasra. A vas(III)-oxid (ferri-oxid) – Fe2O3 – mint pigmentet hasznosítják. A vas(III)-hidroxid – Fe(OH)3 – a vas sók oldata és az alkáli hidroxid reakciója során keletkezik. Barna, nagy tömegű kocsonyás csapadék formájában válik ki. A vas további vegyületei közül jelentős a vas(III)-klorid (FeCl3), amely hexahidrát formájában kristályosodik ki az oldatából. Csávázószerként és szerves szintéziseknél katalizátorként használják. Ez feketésbarna, erősen nedvszívó anyag. Vas(III)-hidroxid és sósav reakciójával keletkezik (a vas és a sósav reakciójánál vas(II)-klorid keletkezik). A vas(II)-szulfát (FeSO4) a vas és híg kénsav reakciója során képződik, vizes oldataiból heptahidrát formájában kristályosodik – ezt az anyagot vasgálicként vagy zöldgálicként is ismerik (2.7. rész). A további szulfátok közül ismert a Mohr-só, amelyet az analitikai kémiában használnak. Ez kettős só – vas(II)-ammónium-szulfát hexahidrát – Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O. Az analitikai kémiában, konkrétan a vas(II) és a vas(III) kationok kimutatásánál játszik szerepet a kálium-hexacianoferrát(II) – K4[Fe(CN)6].3H2O – sárga vérlúgsó, kálium-ferrocianid – és a káliumhexacianoferrát(III) – K3[Fe(CN)6].3H2O – vörös vérlúgsó, kálium-ferricianid. A természetben található vas(II)-karbonát – FeCO3 – szénsavas vízzel (oldott szén-dioxidot tartalmazó vízzel) érintkezve oldódó vas(II)-hidrogén-karbonáttá Fe(HCO3)2 alakul át, amely a vastartalmú ásványvizekben található. Az ilyen ásványvizet tartalmazó palackban rozsdás fátyol képződik, amely oxidált hidrogén-karbonát és hidratált vas(III)-oxid Fe2O3 · xH2O. Korrózió Számos fém korrodálódik, ami nagy anyagi és gazdasági károkkal jár. Általánosságban a korrózió fogalma alatt az anyag környezeti hatásra végbemenő roncsolódását értjük. Több féle korróziót ismerünk, például kémiai (a levegő oxigénje hat a fémekre) vagy elektrokémiai korróziót. A fémeknél gyakrabban találkozunk az elektrokémiai korrózióval, mert nemcsak a levegő oxigénjének vannak kitéve, hanem a légnedvességnek is. A légnedvesség vízzé kondenzálódik, amely oldott formában tartalmaz levegőből származó anyagokat: CO2, SO2, O2, NOx, télen pedig NaCl is. A víz a fém felületén elektrolittá válik, és fémek elektródokat alkotnak. „Lokális galvánelem” keletkezik, amelyben elektrokémiai folyamatok játszódnak le, és a korrodálódó fém feloldódik.

75

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

Azokon a helyeken, ahol csak egy fém atomjai vannak jelen, a felületéről csak kevés ionja megy át a vízbe, az atomok és az ionok közötti egyensúly megállapodik, és további oxidáció már nem jön létre. Az elektrokémiai korrózió súlyosan érinti a vasat. A vas szenet tartalmaz. A víz oldott anyagaival az elektrolit, a vas az anód, a katód pedig a szén. Az anódon oxidálódik a vas vas(II) kationokra, amelyek a korrózió elsődleges termékei, az anódon a levegő oxigénje hidroxid anionokra redukálódik. Anód (Fe):

Katód (C):

A vas(II) kationokat a vízben az oxigén vas(III) kationokká oxidálja, amelyek a hidroxid anionokkal vas(III)-hidroxidot Fe(OH)3 vagy vas(III)-hidroxo-oxidot FeO(OH) képeznek, amelyek a korrózió másodlagos termékei. Ez a két vegyület a rozsda fő alkotórésze, amely a korrózió során kiválik a vas felületén. Gyakran a korrózió termékeként a hidratált vas(III)-oxidot említik, amelyet a rozsda legfontosabb összetevőjének tartanak. A vas korróziója során lejátszódó folyamatokat összegezve a következő kémiai egyenlettel írhatjuk le:

A korrózió ellen a fémeket különböző bevonatokkal védik. Alkalmazásuk előtt jól le kell tisztítani a fém felületét vagy speciális festéket kell alkalmazni, amely reagál a rozsdával. A fémeket passziválással – felszíni védőréteg kialakításával – is megvédhetjük a korrózió ellen; többnyire úgy, hogy koncentrált savakba merítjük a fémet. A vastárgyak felületét a korrózió ellen úgy védjük, hogy egy másik fém (pl. króm, nikkel, cink) rétegét visszük fel rá – galvanizálással (elektrokémiai fémbevonat). A védelem szempontjából fontos, hogy a kialakított fémbevonat összefüggő (kompakt) legyen.

3.3 ábra Rozsda – a vas korróziójának a terméke

A vas az oxigén, a szilícium és az alumínium után a negyedik leggyakoribb fém a Földön és a legelterjedtebb átmeneti fém. Színvas a természetben csak minimális mennyiségben található, és ha mégis, az kozmikus eredetű (meteorvas). A Föld magját valószínűleg olvadt vas és nikkel alkotja. Mindenekelőtt vegyületek – oxidok és karbonátok – formájában található. A legismertebb vasércek a következők: hematit (vörös vasérc) – Fe2O3, magnetit (mágnesvaskő) Fe3O4 = FeO · Fe2O3 vas(II, III)-oxid, limonit (barna vasérc) Fe2O3 · xH2O, sziderit (vaspát) FeCO3 és a pirit (vaskovand) FeS2.

A vas biogén elem, makroelem. A hemoglobin-molekulák alkotórésze (központi atomja) és más biológiai szempontból fontos anyagokban is előfordul. A hemoglobin vörös vérpigment, a vörös vértestekben (eritrocitákban) található. Az oxigén szállítását biztosítja a tüdőből a szövetekbe. A vashiány vérszegénységben (anémiában) nyilvánul meg. A vas fő forrása a táplálékban a belsőségek (máj, szív), de a hüvelyesek, a levélzöldség és a paradicsom. A vas a szervezetben vas(II) só formájában szívódik fel. A javasolt napi vasadag a táplálékban 1 mg. Vasgyártás A vasat nagykemencékben vasércekből kohászati módszerrel állítják elő (3.5 ábra), majd szénnel vagy szén-monoxiddal magas hőmérsékleteken redukálják az oxidjait. Az érceket mielőtt a nagyolvasztóba kerülnének kezelik, például pörköléssel oxidokká alakítják át vagy megszabadítják a víztől és a kéntől. Hogy elérjék a közepes vastartalmat és a nagyolvasztó is gazdaságosan működjön, különböző érceket kevernek össze – ezt a folyamatot homogenizálásnak nevezik. A folyamatba további vastartalmú nyers3.4 ábra A vas ásványai sorrendben: anyagok is belépnek és a következő folyamatok játszódnak le: sziderit és pirit (fotó: S. Jeleň)

76

d-elemek

1. A nagyolvasztót a torokzáron keresztül felváltva töltik fel: koksszal (redukálószer), vasérccel és salakfolyósító anyaggal (leggyakrabban mészkővel). Ez a keverék az olvasztóban fokozatosan lesüllyed, kiszárad. Az olvasztókemence 500–1 000 °C-os terében bekövetkezik a mészkő hőbontása.

2. Az olvasztókemence alsó részébe állandóan oxigénnel dúsított forró levegőt fújnak, amely a szenet szén-monoxiddá oxidálja. A szén-monoxid a redukciós térben 900 °C körül közvetve redukálja a vasoxidokat szilárd, likacsos nyersvassá.

3. A legtöbb vas a nagyolvasztó alsó részében keletkezik magasabb hőmérsékleten. Itt a vas(II)-oxidot a szén közvetlenül redukálja. Ebben az övben a szén is bekerül a vasba (a szén a szén-dioxiddal együtt a szén-monoxid felbomlásakor keletkezik).

4. A nyersvas az olvasztókemence alján gyülemlik fel, az 1 800 °C körüli forró övezetben. A vas felszínén salak képződik (kisebb a sűrűsége, mint a vasé), amely védi a vasat a befújt forró levegő oxidáló hatása ellen. A salak különböző anyagok és szennyeződések keveréke, mindenekelőtt kalcium-szilikát (ez a salakfolyósítóként használt meddőkőzetben található szilícium-dioxidból és a kalcium-oxidból keletkezik, amely az elbomló mészkőből származik). 5. A nyersvasat a salakkal együtt lecsapolással vezetik el a nagyolvasztóból; mindegyiket egy külön nyíláson (a salaklecsapoló-nyílás magasabban található, mint a nyersvaslecsapoló-nyílás). A salakot az építőiparban használják, például a cementgyártásban vagy a beton idomkövek készítésénél. A nagyolvasztóból származó gázok (torokgáz) felfelé áramolva a torokzár melletti nyílásokon távoznak. A nagyolvasztó egy 30–50 m magas és 7–10 m széles építmény. Belül tűzálló anyaggal van kibélelve, kívülről hűtik. A nagyolvasztó néhány évig megszakítás nélkül, folyamatosan dolgozik. Szlovákia legnagyobb acélművei: U. S. Steel Kassa (Košice) és a Zólyombrézói (Podbrezová) Vasgyár. A nyersvas kemény és törékeny, nem kovácsolható. A vas mellett szennyezőanyagokat is tartalmaz, mindenekelőtt szenet grafit vagy cementit (Fe3C) formájában. A további szennyező anyagok közül mindenekelőtt a P, Si, S és Mn. A szennyeződéseket különböző technológiai eljárásokkal konverterekben vagy elektromos kemencékben távolítják el. A szennyeződések eltávolítását a nyersvasból a vas frissítésének nevezik. A nyersvas egy részét öntött vassá alakítják (pl. fűtőtestek), amely 2–4 % szenet tartalmaz. A többségét azonban acéllá dolgozzák fel. Az acél széntartalma kisebb, mint 1,7 %, kovácsoltvasnak is nevezik. Az acél tulajdonságait a széntartalom mellett más nemfémes elemek mennyisége is meghatározza. Bizonyos adalékok hozzáadásával különböző, meghatározott tulajdonságú acélfajták állíthatók elő, például rozsdamentes acél, amely krómot és nikkelt is tartalmaz (3.2 táblázat). 3.5 ábra A nagyolvasztó sémája

77

3.4 A rézcsoport fémei A rézcsoport fémei az EPR 11. csoportjába tartoznak. A rézzel (Cu) együtt itt található még az ezüst (Ag) és az arany (Au). (Ebbe a csoportba sorolják a mesterségesen előállított röntgeniumot (Rg) is, de ezzel nem foglalkozunk.) Mindhárom fémnek jellegzetes fémes külseje van. A múltban mindegyikükből pénzérmét vertek. A mai Szlovákia területén kiterjedten bányászták ezeket (réz – Úrvölgy/Špania Dolina, ezüst – Selmecbánya/Banská Štiavnica, arany – Körmöcbánya/Kremnica). A réz, az ezüst és az arany rendkívül nyújtható és kovácsolható fémek. Az arany az összes ismert elem közül a legjobban nyújtható és kovácsolható fém. Kiváló hő- és elektromosáram-vezetők, a legjobb az ezüst. A réz, az ezüst és az arany is nem túlságosan reakcióképes fémek. Nemesfémek, csak erélyesen oxidáló savakban oldódnak. Ezek a fémek nagyon készségesen képeznek koordinációs (komplex) vegyületeket. A réz puha, vörösesbarna fém. A rézatomok a vegyületekben II oxidációs számmal a legstabilisabbak. Gyakran képeznek I oxidációs számmal is vegyületeket. A levegőn oxigén, széndioxid és légnedvesség hatására zöld réz-dihidroxid-karbonát – Cu2CO3(OH)2 – réteg keletkezik rajta, amelyet patinának neveznek. Ezt rézlemezekkel fedett tetőkön láthatjuk. Az oldott réz sók a vízben kék hexaqua-réz(II) kationokat alkotnak. A réz oldódik a salétromsavban és forró koncentrált kénsavban. A koncentrált salétromsav a rézzel nitrogén-dioxid (barna szín) képződése közben reagál, míg a híg salétromsav hatására nitrogén-oxid keletkezik (2.4. rész).

3.6 ábra Réz – tökéletlen rézkristályok aggregátumai a kvarcon (fotó: Š. Ferenc)

A réz magasabb hőmérsékleteken számos nemfémmel lép reakcióba. Nem reagál a szénnel, a hidrogénnel és a nitrogénnel. Az oxigénnel a réz réz(I)-oxidot (Cu2O) (vörös) és réz(II)-oxidot – CuO – (fekete) alkot. Mindkét oxid a vízben oldhatatlan. Az oxosavak réz(II) sói a vízben jól oldódnak, kék és kékeszöld oldatokat képeznek. A legismertebb rézsó a réz(II)-szulfát pentahidrát (CuSO4·5H2O), amelyet rézgálicként is ismernek. A vízmentes réz(II)-szulfát erősen nedvszívó. Egyszerűen előállítható – a rézgálic dehidratálásával. A levegő nedvességét elnyelve a vízmentes rézgálic megkékül. 3.7 ábra A réz és koncentrált HNO3 reakciója

3.8 ábra A rézgálic kristálya

KÍSÉRLET A rézgálic dehidratálása A rézgálicot dehidratálhatjuk izzítással vagy koncentrált kénsav hozzáadásával. Egy kémcsövet, amelybe rézgálicot szórtunk a gázégő lángjában hevítünk. Megfigyeljük, ahogy a kék szín fokozatosan elhalványul és a kémcső falánál fehér vízmentes réz(II)-szulfát keletkezik. Az izzítással a hidrát elveszíti kristályvizét és vízmentes só lesz belőle. Az elpárolgott vizet megfigyelhetjük lecsapódva a kémcső falán, a nyílás közelében (3.9 ábra). 3.9 ábra A rézgálic dehidratálása izzítással

78

d-elemek

A rézgálic dehidratálásának egy további módja, hogy koncentrált kénsavat adunk hozzá, amely erélyes dehidratálószer. Hatására a rézgálic fokozatosan kifakul, ami azt bizonyítja, hogy csökken a megkötött víz mennyisége a rézgálicban (3.10 ábra). 3.10 ábra A rézgálic dehidratálása koncentrált kénsavval

A réz a természetben mindenekelőtt szulfidok formájában található: kalkozin (Cu2S), kovellin (CuS), kalkopirit (CuFeS2). A további vegyületek: kuprit (Cu2O), malachit – Cu2CO3(OH)2 és az azurit – Cu3(CO3)2(OH)2. A rezet a szulfidércek részleges oxidációjával állítják elő, ezt követően elektrolitikus módszerrel tisztítják. Sok rezet használnak fel a különböző ötvözetek, mindenekelőtt a bronz (Cu + Sn) és a sárgaréz (Cu + Zn) gyártására (3.2 táblázat). A rezet az elektrotechnikában hasznosítják. Baktériumölő (antibakteriális) hatása van. Nagyon jelentős a rézgálic, amelyet a galvántechnikában más réz(II) vegyületek előállítására, a mezőgazdaságban fungicidként (gombaölő-szerként), a gyógyászatban fertőtlenítőszerként (antiszeptikum).

3.11 ábra A réz ásványai sorrendben: malachit, azurit (fotó: Š. Ferenc)

A réz a vas és a cink után a harmadik legjelentősebb biogén d-elem. Mindenekelőtt a májban, a csontokban és a vérben található. A réz legfontosabb biokémiai funkciója, hogy közreműködik a hemoglobin képződésében. A melanin (a bőr- és hajszálak pigmentje) szintézisében nélkülözhetetlen enzimeknek is alkotórésze. Az ezüst fehér fényes fém. A levegőn a keletkező ezüst-szulfid (Ag2S) bevonatától megfeketedik. A rézhez hasonlóan reagál a koncentrált salétromsavval és kénsavval a megfelelő sók képződése közben. A vegyületek közül az ezüst-halogenidek (AgX) ismertek. Az ezüst főleg vegyületek formájában fordul elő, főleg mint argentit (Ag2S) ásvány. Bizonyos fémek (réz, cink stb.) gyártásánál, mint melléktermék keletkezik. Cianidos eljárással is nyerik: cianid oldatot öntenek hozzá, majd redukálják. Ez azonban környezetszennyező. Az elektrotechnikában alkalmazzák, de amalgámok és ékszerek készítésére is használják. Az ezüst kationok Ag+ fertőtlenítő hatása is nagyon jelentős. Az arany viszonylag puha sárga fém. A rézcsoport fémei közül a legkevésbé reakcióképes. Csak a királyvízzel (HCl : HNO3 3:1 arányban) reagál – a platinához hasonlóan. Az aranyatom a legstabilisabb a III oxidációs számú vegyületeiben. A vegyületek közül ismertek: arany(III)-oxid (Au2O3), valamint az arany(III)-halogenidek (AuX3). Termésaranyként elszórva található. Akárcsak az ezüstöt, az aranyat is cianidos eljárással állítják elő. Az aranyban gazdagabb térségekben aranymosással is nyerhető. A fogászatban ún. aranyfogkoronákat készítenek belőle. Ismert nemesfém. Mennyiségét karátokban fejezik ki. A karát a színtisztaság mértékének megjelölése. Az egy karát színtisztaság azt jelenti, hogy a nemesfém az ötvözet tömegének 1/24 részét alkotja. Ezért a 24-karátos arany színtiszta arany, amely 24/24 (99,99 %) tiszta aranyat tartalmaz. A 18-karátos arany 75 % aranyat, a 14-karátos arany 58,3 % aranyat tartalmaz.

79

3.5 A cinkcsoport fémei A cinkcsoport fémeit az EPR 12. csoportjába soroljuk. A cink mellett ide tartozik a kadmium (Cd) és a higany (Hg). (Ebbe a csoportba került a mesterségesen előállított kopernícium – Cn, de ezzel nem foglalkozunk.) Ezeknek az elemeknek a d-elemekről szóló rész bevezetőjében már említett jellemző tulajdonságuk, hogy nem képesek a d-pályán elhelyezkedő vegyértékelektronokat kémiai kötés céljából felhasználni. Ezért atomjaik jellemző és egyben a legmagasabb oxidációs száma II. A higanyatomnak I oxidációs száma is lehet, amelyet a (Hg–Hg)2+ alakzat stabilizál. A cink és a kadmium ezüstfényű, viszonylag puha fém. A higany az egyetlen cseppfolyós halmazállapotú, szintén ezüstösen csillogó fém. A felszínükön vékony védőréteg keletkezik. A cink és a kadmium közönséges fém, a higany a nemesfémek közé tartozik. Mindhárom fém oldódik a salétromsavban és a koncentrált kénsavban. A cink a természetben csak vegyületek formájában található. Legismertebb érce a szfalerit (ZnS). A fémet érceinek pörkölésével nyerik, miközben cink-oxid keletkezik, amelyet szénnel redukálnak vagy a cinket elektrolitikusan állítják elő belőle. A cink sók legegyszerűbben a cink és a megfelelő sav reakciójával állíthatók elő, és a sav töménységétől függően különböző gázok keletkeznek. A cink, akárcsak a vegyületei: a cink-oxid (ZnO) és a cink-hidroxid Zn(OH)2 amfoter anyagok. A cink egyaránt reagál a savak és a hidroxidok oldataival, amikor is tetrahidroxo-cinkát(II) anion keletkezik.

A cink d-elemek közül a második legfontosabb biogén elem. Egy felnőtt ember testében átlagosan 2 g cink található, de nem egyenletes eloszlásban. A legtöbb a harántcsíkolt izmokban, a bőrben, a hajszálakban, a körmökben és a csontokban van. Jelentős mennyiségű cinket tartalmaz a vér. A cinknek fontos szerepe van a fehérjék és a nukleinsavak szintézisében. Közvetlenül bekapcsolódik az immunrendszer, a hormonháztartás, az érzékszervek és az idegrendszer működésébe. A cink kihat a sejtnövekedésre, fontos alkotórésze a membránok stabilizálásáért felelős anyagoknak és több enzimben is megtalálható. A cinket a galvanizálás során is hasznosítják: a gépkocsi iparban az acéllemezekre cinkbevonatokat készítenek. A cink fontos része a száraz galvánelemeknek is. Számos cinkötvözet ismert. Az egyik legjelentősebb cinkvegyület a cink-oxid (ZnO), amely más cinkvegyületek kiindulása anyaga. Cinkfehér néven pigmentként használják. A bőrgyógyászatban is alkalmazzák, mert a bőrrel szemben közömbös, ezért a különböző bőrbetegségek elleni krémek és kenőcsök alkotórésze. A kadmium kémiai tulajdonságaiban hasonlít a cinkre. A kadmium(II) vegyületek rendkívül mérgezőek. Ha kadmium kerül az emberi szervezetbe, főleg a vesében és a májban rakódik le. A kadmiumot galvánelemek, akkumulátorok gyártására, továbbá a korrózióvédelemben használják, de az atomerőművekben neutronelnyelőként is alkalmazzák – a kadmium rudak a neutronok befogásával optimalizálják a hasadásos láncreakció lefolyását. A higany képes más fémeket feloldani és amalgámoknak nevezett ötvözeteket létrehozni. Kiváló tulajdonságuk, hogy laboratóriumi hőmérsékleten folyékonyak vagy plasztikusak, amit a fogászok a szuvas fogak tömésére használnak fel (ún. plomba). Az amalgámokat a tárgyak aranyozására és ezüstözésére is használják. A higany egyetlen jelentős ásványa a cinnabarit (cinóber) – HgS. A higanyt gázkisülési lámpákban, mérőkészülékekben (légnyomásmérők, polarográfok) és a vákuumtechnikában használják. Elektródok anyaga. Régebben higannyal töltötték a hőmérőket is. A higany vegyületei és gőzei is nagyon mérgezőek. A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • Valamennyi d-elem fém. Sok közös tulajdonságuk van, pl. oxidációs számuk igen változó, vegyületeik színesek és képesek koordinációs (komplex) vegyületeket létrehozni. • Normális körülmények között az egyetlen cseppfolyós fém a higany. Számos fémet képes feloldani és amalgámoknak nevezett ötvözeteket alkot.

80

d-elemek

• • • • • • • • • • • • • • • • • •

A vas a negyedik leggyakoribb elem a Földön. A tiszta vas közönséges fém. Koncentrált salétromsavban és kénsavban passziválódik. A vasatomok oxidációs száma vegyületeikben II, III, de stabilisabbak a vas(III) vegyületek. A vas a légnedvesség hatására korrodálódik, rozsdásodik. A vas jelentős biogén elem, makroelem. Része a hemoglobin vörös vérpigmentnek, amely az oxigén szállítását biztosítja. A vasat nagyolvasztóban állítják elő szén-monoxiddal vagy szénnel redukálva. A nyersvas nem kovácsolható, frissítésével széntartalma 1,7 % alá csökkenthető és acél nyerhető. Az acél a vas legfontosabb ötvözete és a legelterjedtebb szerkezeti anyag. A réz vörösesbarna színű nemesfém. Jól vezeti az elektromos áramot és a hőt. A rézatom oxidációs száma vegyületeiben II. A légnedvesség hatására patinának nevezett vékony réteg képződik a felületén. A réz jelentős biogén elem. Közreműködik a hemoglobin képzésében, néhány enzim alkotórésze. A réznek számos vegyülete van, ezeket sokféleképp hasznosíthatják. A legjelentősebb a rézgálic (CuSO4·5H2O), amelyet gombaölő-szerként (fungicidként) alkalmaznak. A cink közönséges, ezüstfényű fém, amfoter tulajdonságai vannak, akárcsak az oxidjának ZnO és a hidroxidjának Zn(OH)2. A cinkatom oxidációs száma vegyületeiben II. A cinket a galvanizálásnál, fémbevonatok készítésére használják. A cink jelentős biogén elem. A kadmium és a higany vegyületei nagyon mérgezőek. Toxikusak a higanygőzök is.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Jelöljétek meg a felsorolt tulajdonságok közül, melyek jellemzik a d-elemeket. a) a vegyületek színessége, b) az alacsony olvadáspontok, c) komplex vegyületek képzése, d) alacsony oxidációs számok, e) a vegyületekben nagyon változó oxidációs számok. 2. Egészítsétek ki a kémiai reakciók kiindulási anyagait és termékeit és alakítsátok át kémiai egyenletekké: a) b) c) d) e) f) g) 3. Állapítsátok meg a d-elemek atomjainak oxidációs számát a következő részecskékben: – – 2– 2– ZnS, KMnO4, Cr2O3, Cu(NO3)2, MnO2, CrO3, Fe(NH4)2(SO4)2, Hg2Cl2, CrO4 , MnO4, VO3, Cr2O7 . 4. Válasszátok ki a kémiai egyenletek közül azokat, amelyekben a d-elem redukálószerként van jelen. a) b) c) d)

81

5. Válasszátok ki a kémiai egyenletek közül azokat, amelyekben a d-elem oxidálószerként van jelen: a) b) c) d) 6. Válasszátok ki azt a kémiai egyenletet, amely a vas és a híg kénsav, illetve amely a vas és a koncentrált kénsav reakcióját fejezi ki. Magyarázzátok meg az eltéréseket. a) b) 7. Írd le legalább három d-elem nevét, amelyeket: a) a biogén elemek közé sorolunk, b) a nemesfémek közé sorolunk, c) a közönséges fémek közé sorolunk, d) a természetben színtiszta állapotban (termésfémként) is megtalálható. 8. Írjátok fel annak a d-elemnek a nevét és vegyjelét, amely: a) a hőmérőkben és a légnyomásmérőkben használatos, b) a leggyakoribb fém a Földön, c) a legjobban vezeti az áramot, d) termésfémként bányászható és cianidos eljárással dolgozható fel. 9. Írd fel legalább három olyan d-elem nevét, amelyek vegyületei színükkel tűnnek ki. 10. Egészítsétek ki az állítást: A …………………….. a réz és az ón ötvözete. 11. Egészítsétek ki az állítást: A …………………….. a cink és a réz ötvözete. 12. Írjátok fel a higany ötvözeteinek gyűjtőnevét. 13. Írjátok fel: a) mi a szerepe a hemoglobinnak az emberi szervezetben, b) melyik fémes elem található a hemoglobin szerkezetében. 14. Válasszátok ki a helyes állítást. a) A vas nemesfém. b) A vas a fémek elektrokémiai sorában (Becket-sorában) a hidrogéntől balra áll. c) A vas a híg salétromsavval oxigén képződése közben reagál. d) A vasat a vasércek redukciójával állítják elő. 15. Válasszátok ki a helyes állítást. a) A réz nemesfém. b) A réz a fémek elektrokémiai sorában (Becket-sorában) a hidrogéntől balra áll. c) A réz csak az oxidáló hatású savakkal reagál. d) A réz jól vezeti a hőt és az elektromos áramot. 16. Magyarázzátok meg, miért fehér anyag a vízmentes réz(II)-szulfát és miért keletkezik kék oldat, amikor vízben feloldjuk. Azt is magyarázzátok meg, miért keletkezik kék kristályos anyag, amikor az oldatból kikristályosítjuk. 17. Írjátok fel azoknak az elemeknek a nevét, amelyek a Föld magját alkotják. 18. Írjátok le az EPR 4. periódusában található valamelyik d-elem nevét, amely a vegyületeiben a következő oxidációs számmal fordul elő: a) II, b) III, c) IV, d) V, e) VI. 19. Számítsátok ki, hány gramm ezüst keletkezik 20 g ezüst-oxid hőbontásakor. 20. Számítsátok ki, hány gramm rézgálicra van szükségünk 2 dm3, w = 0,05 tömegtörtű CuSO4 oldat előállítására.

82

A szerves anyagok jellemzése és felosztása

SZERVES KÉMIA 4 A szerves anyagok jellemzése és felosztása A kémia szervetlen és szerves kémiára történő felosztásának történelmi okai vannak. Régen a vegyületeket eredetük szerint felosztották szervetlen (az élettelen természettel összefüggő) és szerves (az élő természettel – a növényekkel és állatokkal összefüggő) vegyületekre. A szerves kémia elnevezés abból a feltevésből eredt, hogy a szerves vegyületek csak élőlények sejtjeiben keletkezhetnek. Még a 19. század elején is úgy gondolták a tudósok, hogy a szerves vegyületek létrejöttéhez szükség van az ún. életerőre (a latin „vis vitalis” nyomán), ezért nem lehet ezeket laboratóriumban előállítani. Ezt az elképzelést F. WÖHLER német vegyész cáfolta meg, aki laboratóriumban elsőként állított elő szerves vegyületeket, 1824-ben szintetizálta az oxálsavat, 1828-ban a karbamidot. KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

4.1 ábra Friedrich Wöhler

++

FRIEDRICH WÖHLER az első szintetizált szerves vegyületeket szervetlen vegyületekből készítette: 1. Az oxálsavat, amelyet addig csak mint növényi anyagot ismertek, 1824-ben a dicián hidrolízisével állította elő:

2. 1828-ban az ammónium-cianátot melegítve karbamidot készített, amelyet addig csak az emlősök vizeletéből lehetett izolálni.

dicián

oxálsav

ammónium-cianát

karbamid

(szervetlen vegyület)

(szerves vegyület)

(szervetlen vegyület)

(szerves vegyület)

Fokozatosan kiderült, hogy nincs semmilyen lényeges különbség a szervetlen és a szerves vegyületek között, mert a kémiának ugyanazok az elvei és törvényei vonatkoznak mindkét csoportra. A szerves vegyületek egyetlen közös jellemzője, hogy mindegyik szénatomot tartalmaz. A szerves kémia a szénvegyületek kémiája, néhány egyszerű szervetlen vegyület kivételével, mint a szén-dioxid, a szén-monoxid, a szénkéneg, a szénsav és sói, a cianidok, a karbidok stb. Noha az eredeti felosztás szervetlen és szerves vegyületekre már túlhaladott, a szervetlen kémia és a szerves kémia elnevezés továbbra is megmaradt. Van néhány oka annak, hogy a szerves kémia miért fejlődik önálló tudományágként: a) A szerves vegyületek (szénvegyületek) nagy száma, amely jelentősen túlszárnyalja a szervetlen vegyületek számát. Jelenleg több mint 37 millió vegyületet ismerünk (2011-es adat), amelyek közül 99 % szerves vegyület. b) A szerves vegyületek eltérő szerkezete és fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságai, amelyek a szénnek az EPR-ben elfoglalt sajátos helyzetéből adódnak a többi elemhez viszonyítva. A szerves kémia eredeti feladatát, vagyis az élőlényekben található anyagok kutatását átvette a biokémia, amely emellett ezeknek az anyagoknak az átalakulását is vizsgálja az élő rendszerekben.

83

A szerves vegyületek molekuláit viszonylag kisszámú elem atomjai alkotják. A szén mellett ez főleg a hidrogén, amely szinte valamennyi szerves vegyületben jelen van, továbbá az oxigén és a nitrogén. Ezt a három elemet olykor organogén elemeknek is nevezik. A szerves vegyületekben gyakran előfordulnak a halogének és a kén is (4.2 ábra). Noha a szénnek ma már szinte valamennyi ismert elemmel előállították a vegyületét, más elemek csak ritkán fordulnak elő a szerves vegyületekben.

4.2 ábra A szerves vegyületekben leggyakrabban előforduló elemek

4.1 Szén és helye a szerves vegyületek kémiájában A szénnek különleges helye van az EPR-ben. Az elemek közül egyedül képes óriási számú sokféle vegyületet létrehozni a legegyszerűbb, egy szénatomot (pl. metán) tartalmazó vegyületektől a nagyon bonyolult, több mint 100 millió szénatomot tartalmazó molekulákig (pl. DNS). A nagyszámú szerves vegyület megléte a szénatomoknak abból a képességéből adódik, hogy szinte korlátlanul stabil láncokká tudnak összekapcsolódni. A szénláncok nagy stabilitásának több oka van. 1. A szénatomok egymás között erős kovalens kötéseket hoznak létre. A 4.1 táblázatban találhatók néhány elem atomjai között kialakult egyes kötések kötési energiái. Nyilvánvaló, hogy a legtöbb elem atomjainak kötési energiája nem éri el a két szénatom közötti kötési energia 50 %-át sem. A C–C kovalens kötések ezért sokkal erősebbek, min hasonló kötések más, nem átmeneti fémek két atomja között. 4.1 táblázat Néhány azonos atom közötti egyes kötések kötési energiái (kJ.mol–1)

Kötés

Kötési energia (kJ·mol–1)

Kötés

Kötési energia (kJ·mol–1)

Kötés

Kötési energia (kJ·mol–1)

B–B

331

P–P

172

Se–Se

184

C–C

348

As–As

134

Te–Te

138

Si–Si

200

Sb–Sb

126

F–F

155

Ge–Ge

159

Bi–Bi

105

Cl–Cl

243

Sn–Sn

142

O–O

138

Br–Br

193

N–N

159

S–S

264

I–I

151

84

A szerves anyagok jellemzése és felosztása

2. A vegyületekben lekötött szénatomoknak nincsenek szabad elektronpárjai, sem elektronpályái. A szén az EPR második periódusában található, ezért elektronjai csak s és p elektronpályákat foglalnak el. Vegyértékhéján 4 elektron található, miközben valamennyi részt vesz a kémiai kötések kialakításában (kötési elektronok) – a szénatom a szerves vegyületekben négyértékű. 3. A szénnek „előnyös” elektronegativitásértéke van a láncok kialakításához. A szén elektronegativitása (2,5) nagyjából a cézium elektronegativitása (0,7) és a fluor elektronegativitása (4,0) közötti tartomány közepénél található (4.3 ábra). Míg a nagyobb elektronegativitású elemek hajlamosak a redukcióra (elektronokat felvenni), a kisebb elektronegativitású elemek könnyen oxidálódnak (leadják az elektronokat). Ezért ezek az elemek nem hoznak létre láncokat, vagy ha mégis, a szénláncokkal összevetve kevésbé stabilisak. 4.3 ábra A nem átmeneti elemek elektronegativitásértékei (Pauling)

4.2 Kémiai kötések a szerves vegyületek molekuláiban 4.2.1 Egyszeres és többszörös kötések A szerves vegyületekben a kovalens kötések dominálnak, azaz olyanok, amelyeknél az egymáshoz kapcsolódó két elem közös elektronpáron osztozik (kötő elektronpár). Két atomnak több közös elektronpárja is lehet (kettő vagy három). Az első évfolyamból tudjátok, hogy ha a molekula két atomjának egy közös elektronpárja van, az ilyen kötést egyes kötésnek nevezzük. Ha két közös elektronpárjuk van – az kettős kötés, ha pedig három elektronpárjuk van – az a hármas kötés. A kettős és a hármas kötéseket többszörös kötéseknek nevezzük. Azokat a szerves vegyületeket, amelyeknek molekuláiban a szénatomok kizárólag egyes kötésekkel kapcsolódnak, telítetteknek nevezzük. Azokat a vegyületeket, amelyek molekuláiban a szénatomok között legalább egy többszörös kötés található, telítetleneknek nevezzük. (Az elnevezés onnan ered, hogy a telítetlen vegyületek készségesen reagálnak a hidrogénnel, „telítődnek” vele, míg a telített vegyületek már nem reagálnak a hidrogénnel.) Mint már tudjátok, a vegyületek képleteiben a kémiai kötéseket vonalakkal jelöljük. Egy vonal két atom között azt jelenti, hogy a kémiai kötést egy kötő elektronpár közvetíti közöttük, a két vonal két kötő elektronpárt, a három vonal pedig három kötő elektronpárt jelent. A szénatomok közötti egyes, kettős és hármas kötéseket így jelöljük:

egyes kötés

kettős kötés

hármas kötés

A szénatomok közötti egyes kötést -kötésnek is nevezzük. A -kötés kötő elektronpárja úgy helyezkedik el, hogy a legnagyobb elektronsűrűség a kötést kialakító atommagok kötéstengelyén van. A -kötés keletkezését a kötéstengelyen levő atompályák átfedésével szemléltethetjük (4.4a ábra).

85

A többszörös kötéseknél az egymáshoz kapcsolódó atomok között a -kötések mellett egy vagy két -kötés is található. A -kötések legnagyobb elektronsűrűsége két helyen található az atommagok kötési tengelyén kívül, pontosabban az erre a tengelyre merőleges egyenesen. A -kötés kialakulását a két atom közötti kötési tengelyre merőleges tengelyeken elhelyezkedő p-pályák átfedésével is szemléltethetjük (4.4b és 4.4c ábra).

4.4 ábra A - és a -kötések elrendeződése két szénatom között egyes kötés (a), kettes kötés (b) és hármas kötés (c) esetén

A 4.4 ábra alapján világos, hogy az atompályák átfedése a -kötés kialakulásánál jelentősebb, mint az atompályák átfedése a -kötések keletkezésekor. Ebből az következik, hogy a -kötés gyengébb a -kötésnél. Ezért a reakciók során rendszerint először a -kötések szakadnak fel a -kötésekkel öszszevetve. A kettős kötést egy -kötés és egy -kötés alkotja, miközben a -kötés maximális elektronsűrűsége az atommagok kötési tengelye fölött és alatt található (4.4b ábra). A hármas kötést egy -kötés és két -kötés alkotja, miközben az egyik -kötés maximális elektronsűrűsége az atommagok kötési tengelye fölött és alatt, míg a másik -kötés maximális elektronsűrűsége az atommagok kötési tengelye előtt és mögött található. Mindkét -kötés egymásra merőleges síkokban helyezkedik el és a -kötés körül közösen egyfajta -elektron burkot alakítanak ki (4.4c ábra). A szerves vegyületek kovalens kötései különböző hosszúságúak és erősségűek. Érvényes, hogy a két atom közötti kötési távolságok az egyes kötéstől a hármas kötés irányába haladva egyre rövidülnek, míg a kötések együttes erőssége (kötési energiában kifejezve) növekszik (4.2 táblázat). 4.2 táblázat A szénatomok közötti kötések távolsága és kötési energiái (kJ·mol–1)

Kötés Kötési távolság /nm –1

Kötési energia / kJ·mol

0,154

0,134

0,120

348

600 - 610

820 - 850

A szerves kémiában gyakran előfordulnak vegyületek, amelyek több kettős kötést tartalmaznak. Ha a szénláncban két kettős kötést egy egyes kötés választ el, konjugált kettős kötésnek nevezzük őket (a latin coniungo = összekapcsolni). Az ilyen kettős kötések kölcsönösen hatnak egymásra, amely a vegyületek tulajdonságaiban is megnyilvánul. Ha a szénláncban ezek a kettős kötések két vagy több egyes kötéssel vannak elválasztva egymástól, minden kettős kötés függetlenül viselkedik. Az ilyen elrendezést izolált kettős kötésnek nevezzük. Abban az esetben, ha a kettős kötések szomszédosak egymással, kumulált kettős kötésekről beszélünk.

konjugált kettős kötések

86

izolált kettős kötések

kumulált kettős kötések

A szerves anyagok jellemzése és felosztása

Sok olyan szerves vegyület van, amely nagyobb számú konjugált kötést tartalmaz. Szénláncaikban szabályszerűen váltakoznak az egyes és a kettős kötések, például így:

A kettős kötések konjugált rendszere például a vegyületek színéért lehet felelős. Sok ilyen vegyület fordul elő a természetben, mint növényi vagy állati pigment (pl. a sárgarépában található -karotin). A szénatomok a szerves vegyületekben más elemek atomjaival is kötésbe lépnek Ezekkel egyes, kettős és hármas kötéseket hozhatnak létre.

4.2.2 Vegyérték A szerves vegyületekben lekötött atomok vegyértékükben különböznek egymástól. A vegyérték megadja azoknak a kovalens kötéseknek a számát, amelyekkel az elem atomja valamennyi szomszédos atomjához kapcsolódik a molekulában. A szénatomok a szerves vegyületekben négy vegyértékűek, a nitrogénatomok három vegyértékűek, az oxigénatomok két vegyértékűek, a halogén- és a hidrogénatomok egy vegyértékűek.

négy vegyértékű

három vegyértékű

két vegyértékű

egy vegyértékű

A vegyérték az egyes elemek atomjainak vegyértékhéján kialakult elektronszerkezet eredménye. Többszörös kötések esetén úgy állapítjuk meg az atom vegyértékét, hogy a kettős kötését két egyes kötésnek, a hármas kötését pedig három egyes kötésnek tekintjük.

4.2.3 A kovalens kötések polaritása Gondoljunk vissza arra, hogy két azonos vagy nagyon közeli elektronegativitás-értékű atomok kapcsolódásakor a kötő elektronok egyenletesen oszlanak el mindkét atom között. A kialakult kovalens kötés apoláris. A C–C és a C–H kötés a szerves vegyületekben tipikusan apoláris kötés. Ha olyan atomok kapcsolódnak egymáshoz, amelyek elektronegativitása jelentősen különbözik, a kötő elektronok az elektronegatívabb atom felé tolódnak el, amelyen részleges negatív töltés (–) keletkezik. A kisebb elektronegativitású atomon viszont részleges pozitív töltés (+) alakul ki. Az ilyen kovalens kötés poláris. A kémiai képletekben a kötések polaritását a részleges töltések szimbólumaival jelöljük az adott atomok fölött.

87

4.3 Képletek a szerves kémiában A szerves kémiában különböző képlettípusokat használnak. Némelyek csak a molekula összetételét adják meg, mások a szerkezetét is. Az egyes képlettípusokat az ecetsav példáján szemléltetjük, amelyet már ismertek. Tapasztalati (sztöchiometriai) képlet megadja az elemek atomjainak legegyszerűbb számarányát a vegyületben.

CH2O

Összegképlet (molekulaképlet) megadja a vegyület molekulájában levő atomok valós számát.

C2H4O2

Racionális (funkciós) képlet a molekulában található jellegzetes atomcsoportokat fejezi ki.

CH3COOH

Szerkezeti (konstitúciós) képlet ábrázolja a kötéseket a molekulában. Kifejezi az egyes atomok sorrendjét, kötésmódját és kötéstípusát a vegyületben. A szerkezeti képletek a molekula szerkezetének síkbeli ábrázolását adják meg, viszont nem fejezik ki az atomok valódi térbeli elhelyezkedését a molekulában! Egyszerűsített szerkezeti képlet ebben nincsenek feltüntetve bizonyos „egyszerű” kötések, például a hidrogénatomokkal alkotott kötések, C–H, O–H stb. Elektronos szerkezeti képlet egyszerűsített szerkezeti képlet, amelyben azonban fel vannak tüntetve az atomok szabad elektronpárjai. A szabad elektronpárokat egy rövid vonallal jelzik az atom vegyjelénél. A sok szénatomot tartalmazó molekulák képletének írásmódja úgy egyszerűsíthető, hogy nem tüntetik fel bennük a szénatomokat. Ez az írásmód főleg a gyűrűs vegyületek, esetleg a hosszabb szénláncok esetében megszokott.

88

A szerves anyagok jellemzése és felosztása

4.4 A szerves vegyületek szerkezete A szerves vegyületek tulajdonságai nemcsak a molekulákban található atomok fajtájától és számától függenek, hanem a kölcsönös elrendeződésüktől – a szerkezettől is. A kémiai szerkezet fogalmát a 19. század 60-as éveiben A. M. BUTLEROV (1828–1886) orosz vegyész vezette be a szerves kémiába, aki a szén ismert négy vegyértékűségéből indult ki. 1874-ben egymástól független a holland J. H. VANT HOFF (1852–1911) és a francia J. A. LE BEL (1847–1930) egy felismerésre jutottak, amely előbbre vitte a szerves vegyületek szerkezetével kapcsolatos elképzeléseket. A felfedezés a metánmolekulát felépítő atomok térszerkezetére vonatkozott. Megállapították, hogy a szénatom a metánmolekulában (CH4) egy szabályos tetraéder középpontjában helyezkedik el és négy kötés irányul belőle a tetraéder csúcsain ülő hidrogénatomok felé (4.5 ábra). Ezek a kötések egyenértékűek és 109°28’ szöget zárnak be egymással.

4.5. Az atomok térszerkezete a metánmolekulában (CH4)

Később kiderült, hogy hasonló térszerkezete van más szénhidrogéneknek is. Ez a jelentős felismerés alapozta meg a sztereokémiát – azt a tudományterületet, amely az atomok térbeli elrendeződésével foglalkozik a molekulákban.

A molekula szerkezete három különböző szinten írható le. A molekulaszerkezet alatt értjük: 1. a molekulákban levő atomok fajtájával és számával kapcsolatos adatokat, mely atomok kapcsolódnak egymáshoz a molekulában kémiai kötésekkel és milyen a típusuk ezeknek a kötéseknek (a konstitúció tehát nem az atomok és a kötések térbeli elrendeződéséről tájékoztat),

konstitúció

2. egy adott atomból kiinduló más, közvetlenül hozzá kapcsolódó atomok vagy atomcsoportok felé irányuló kötések kölcsönös térbeli helyzetét jellemző adatok, miközben ezt az elrendeződést nem lehet megváltoztatni az egyes kötés körüli rotációval.

konfiguráció

3. az egymással kémiai kötéssel közvetlenül nem kapcsolódó atomok vagy atomcsoportok kölcsönös térbeli elrendeződésére vonatkozó adatok, miközben ez az elrendeződés megváltoztatható az egyes kötés körüli szabad rotációval.

konformáció

89

4.4.1 Izoméria A szerves kémiában gyakran találkozunk olyan vegyületekkel, amelyeknek az összegképlete megegyezik, de eltérő a szerkezetük. Más szóval, megegyezik az atomjaik száma és fajtája a molekulában, de különböznek abban, ahogyan ezek az atomok kapcsolódnak egymáshoz, esetleg hogyan vannak elrendezve a térben. Ezt a jelenséget izomériának nevezik és az adott vegyületeket izomereknek. Az izomereknek eltérő fizikai, kémiai, olykor még eltérő biológiai tulajdonságaik is vannak. Megkülönböztetünk konstitúciós és térizomériát (sztereoizoméria – 4.6 ábra).

4.6 ábra Az izoméria felosztása

A konstitúciós izomerek olyan vegyületek, amelyeknek megegyezik az összegképletük, de eltérő a szerkezeti (konstitúciós) képletük. A konstitúciós izomereket felosztjuk: a) láncizomerekre, amelyek a szénlánc elrendeződésében különböznek. Pl. az aciklikus öt szénatomos szénhidrogénnek (pentánnak) három különböző láncizomere van.

b) helyzeti izomerekre, amelyek a funkciós csoport vagy a többszörös kötés helyzetében különböznek,

90

A szerves anyagok jellemzése és felosztása

c) csoport (funkciós) izomerek, amelyeknek eltérő funkciós csoportjaik vannak,

etanol

dimetil-éter

d) tautomerek, amelyek a hidrogénatom és a kettős kötés helyzetében különböznek (prototrópia). A tautoméria a csoport izoméria egyedi esete.

vinil-alkohol

acetaldehid

A tér(szerkezeti) izomerek (sztereo izomerek) azonos összegképletű és konstitúciós képletű vegyületek, amelyek azonban atomjaik térbeli elhelyezkedésében különböznek. A térizoméria keretében megkülönböztetünk konfigurációs izomériát (geometriai izoméria, optikai izoméria), amelyben az atomok különböző térbeli elrendeződése nem függ össze az egyes kötés körüli rotációval, és konformációs izomériát, amelyben az atomok és az atomcsoportok helyzete a térben megváltozik az egyes kötés körüli rotációval. a) geometriai izomerek a kettős kötéssel kapcsolódó szénatomokhoz kötődő atomcsoportok helyzetében különböznek. A kettős kötés körül nem lehetséges szabad rotáció, ezért a legtöbb kettős kötést tartalmazó vegyületnek két konfigurációs izomerje létezhet, amelyeket cisz és transz szimbólumokkal (sztereodeszkriptorokkal) jelölünk. A cisz-izomerben a szubsztituensek a kettős kötés síkjának ugyanazon az oldalán, a transz-izomerben a kettős kötés síkjának átellenes oldalán találhatók. Újabban a hagyományos cisz szimbólumot (Z) betűvel (a német zusammen = együtt nyomán), a transz szimbólumot pedig (E) betűvel (a német entgegen = szemben nyomán) jelölik, ami korlátozás nélkül alkalmazható a geometriai izomerekre.

cisz-but-2-én (Z)-but-2-én

transz-but-2-én (E)-but-2-én

b) optikai izomereket olyan molekulák hoznak létre, amelyekben ún. aszimmetriás szénatom (királis atomnak vagy sztereogén központnak is nevezik), azaz olyan atom van, amelyhez négy különböző szubsztituens kapcsolódik. Ezek olyanok, mint egymás tükörképei. Az aszimmetriás (királis) szénatomot tartalmazó vegyületek rendszerint optikailag aktívak, azaz a polarizált fény síkját elforgatják (4.7 ábra). Ezért királis vegyületeknek nevezzük ezeket. Két optikai izomer (optikai antipódok vagy enantiomerek) különbözik konfigurációjában az aszimmetriás (királis) szénatomon és tükörképük nem hozható fedésbe egymással, úgy viszonyulnak egymáshoz, mint a balkéz a jobb kézhez (innen ered a kiralitás megjelölés, a görög khirosz = tenyér nyomán). Az optikai izomériáról a szénhidrátok kapcsán majd bővebben is szót ejtünk a következő tanévben a biokémia órákon.

91

4.7 ábra A polariméter sémája A normális (nem polarizált) fény olyan sugarakból áll, amelyek minden síkban rezegnek. Ha ez a fény polarizátoron halad át, polarizált fény keletkezik, amely csak egy síkban rezeg. Ha polarizált fény a polarizáló csőben elhelyezett optikailag aktív anyagon halad át, a polarizált fény síkja egy bizonyos szöggel (α) elfordul vagy az óramutató járásának irányában vagy ellenkező irányban. A polarizált fény síkját az óramutató járásának irányában elforgató anyagokat jobbra forgatóknak (+), az ellenkező irányban elforgató anyagokat balra forgatóknak (–) nevezik.

c) konformációs izomerek ugyanannak a molekulának a különböző térbeli elrendeződései, amelyek atomcsoportjainak az egyes kötés körüli rotációjával jönnek létre. Például a metil-csoportok folyamatos elfordulásaival a C–C kötés körül az etán molekulában a hidrogénatomok különböző kölcsönös helyzetekbe kerülhetnek. Ezért az etánnak több eltérő konformációs formája lehetséges. A két szélső helyzetet fedőállásnak és nyitott állásnak nevezzük (a teljes ékkel rajzolt kötések a papír síkja elé a megfigyelő felé irányulnak)

A gyűrűs vegyületek esetében két egyes kötés körüli elfordulással egy egész molekularész „átbillenhet”, pl. a ciklo-hexánban megkülönböztetünk kádformát és székformát (konformációt).

92

A szerves anyagok jellemzése és felosztása

4.5 A szerves vegyületek felosztása A szerves vegyületeket két nagy csoportba osztják: szénhidrogének és szénhidrogén-származékok. A szénhidrogének szerves alapvegyületek, amelyek csak szénatomot és hidrogénatomot tartalmaznak (5. fejezet). A szénhidrogén-származékok a szerves alapvegyületekből vezethetők le, szén és hidrogén mellett más elemeket is tartalmaznak (halogéneket, nitrogént, oxigént stb.) (6. fejezet). Ezeknek az elemeknek az atomjait, amelyek a szerves vegyületekbe beépültek, heteroatomoknak nevezzük. A szénhidrogéneket és származékaikat további alcsoportokba osztják bizonyos közös tulajdonságok alapján (lásd az 5. és a 6. fejezetet). A szénhidrogén-származékok molekuláiban megkülönböztethetjük a szénhidrogén-gyököt és a funkciós csoportot. A szénhidrogén-gyök a szénhidrogénnek az a része, amely egy vagy több hidrogénatom elszakítása után keletkezik. A szénhidrogén-gyököket általánosságban R betűvel jelöljük (mivel régebben a „radikál” = gyök megnevezéssel illették). A funkciós csoport állhat egy atomból vagy atomcsoportból, amely a származéknak speciális tulajdonságokat adnak.

A szerves vegyületeket rendkívüli sokrétűségük okán más szempontok alapján is osztályozhatjuk: 1. A szénlánc jellege alapján megkülönböztetünk: a) nyílt szénláncú szénhidrogéneket, amelyek lehetnek el nem ágazók vagy elágazók, b) zárt szénláncú (gyűrűs) szénhidrogéneket.

93

2. A szénatomok közötti kötések típusai alapján megkülönböztetünk: a) telített szénhidrogéneket, amelyek csak egyes kötéseket tartalmaznak, b) telítetlen szénhidrogéneket, amelyek legalább egy többszörös (kettős vagy hármas) kötést tartalmaznak, c) aromás szénhidrogéneket, amelyeknek sajátos jellegű gyűrűs szerkezetük van (5.2. fejezet). A nem aromás jellegű szénhidrogéneket alifás szénhidrogéneknek nevezzük.

4.6 A szerves vegyületek reakciói A szerves kémiában nagyon sok változatos reakció ismert. Ugyanazok a törvényszerűségek vonatkoznak rájuk, mint a szervetlen vegyületek reakcióira, de az eltérő és gyakran bonyolultabb szerkezetük miatt eltérő a reakciók lefolyása is. Általánosságban elmondható, hogy a szerves vegyületek reakciói lassabban mennek végbe, mint a szervetlen vegyületeké. Némelyiket csak magas hőmérsékleten, nyomáson vagy katalizátor alkalmazásával lehet megvalósítani. Sok reakció lefolyása nagyon bonyolult és gyakran a végén különböző termékek tarka keveréke jön létre. A telített szénhidrogének kémiai reakciói a C–C vagy a C–H kötéseken játszódnak le, a telítetlen szénhidrogének esetében a reakció rendszerint a többszörös kötéseken megy végbe. A szénhidrogén-származékok esetében a reakciók többnyire a funkciós csoportokon mennek végbe vagy azokon a szénatomokon, amelyek a csoport közvetlen szomszédságában helyezkednek el. A kiindulási anyagok átalakulása termékekké nem egyszerű. Általában több lépésben játszódik le, és ezek során átmeneti komplexek és köztitermékek is keletkeznek. A kiindulási anyagok molekuláris szinten lejátszódó átalakulását termékekké számos részfolyamat kísérheti, ezek részletes leírása a reakciómechanizmus. A szerves kémiai reakciók jellemzése során gyakran használják a szubsztrátum és a reagens fogalmakat. A szubsztrátum alatt olyan kiindulási anyagot értünk, amelyen a reakció folyamán változás megy végbe. A reagens olyan kiindulási anyag, amely különböző szubsztrátumokkal bizonyos típusú reakciókat valósít meg. Azt mondjuk, hogy a reagens változásokat okoz a szubsztrátumon. A szerves kémiában ezek a reagensek gyakran szervetlen anyagok.

4.6.1 A szerves vegyületek reakcióinak a leírása A kémiai reakciók lefolyását a szerves kémiában kémiai egyenlettel vagy egyszerűsítve reakciósémával írják le. A kémiai egyenletekkel ellentétben a reakciósémákban nem mindig tartanak be néhány szabályt, pl. a sztöchiometria – az atomok száma a séma bal és jobb oldalán nem kell, hogy megegyezzen. A kémiai egyenlettel és a reakciósémával történő leírás közötti eltérést megfigyelhetjük a következő példán:

A reakciósémákban feltüntetnek néhány kiindulási anyagot (a nyíl felett) és terméket (a nyíl alatt), esetleg kiegészítik további kísérleti adattal, pl. oldószer, katalizátor, hőmérséklet, nyomás. Ha szükséges, a termékek képletei alatt feltüntethető a százalékos hozamuk is.

94

A szerves anyagok jellemzése és felosztása

Néhány reakcióséma magyarázattal: Az A anyagból koncentrált kénsav hatására víz hasad le és 85 % B anyag és 15 % C anyag keletkezik. Az A anyag egy közelebbről meg nem határozott oxidálószerrel B, C és D anyag képződése közben oxidálódik. Az A anyag platina katalizátor jelenlétében, 20 °C hőmérsékleten és 0,1 MPa nyomáson reagál a hidrogénmolekulával és B anyag keletkezik.

4.6.2 A szerves vegyületek reakcióinak a felosztása A szerves kémiában a kémiai reakciókat néhány szempont alapján csoportosítják: a) a kötés felhasadásának módja alapján, b) a felhasznált reagens szerint, c) a szubsztrátumban lejátszódott változások alapján.

a) A reakciók felosztása a kötés felhasadásának módja alapján A kémiai reakciók során az eredeti kötések megszűnnek, és új kötések keletkeznek. Aszerint, hogy miképpen megy végbe az eredeti kötések felhasadása, megkülönböztetünk homolitikus (homolízis) és heterolitikus (heterolízis) reakciókat. A homolitikus reakciók esetében a kötés szimmetrikusan hasad, azaz a kötő elektronpár megoszlik a kötést alkotó két atom között, tehát mindegyik megtart egy elektront. Ekkor párosítatlan elektronnal rendelkező részecskék – gyökök keletkeznek (ezt egy ponttal jelöljük annak az elemnek a vegyjelénél, amelynek atomjában a párosítatlan elektron van, pl. H3C•).

A heterolitikus reakciók esetében a kötés aszimmetrikusan hasad, azaz az egész kötő elektronpár az elektronegatívabb atomnál marad (pl. Cl), és így egy negatív töltésű részecske – anion keletkezik. A második atomon (pl. C) pozitív töltés alakul ki – kation keletkezik. A heterolitikus reakciók során elektromosan töltött részecskék – ionok keletkeznek.

Homolitikusan mindig az apoláris kötések hasadnak, a heterolitikus hasadás a poláris kötésekre jellemző.

b) A reakciók felosztása a felhasznált reagens alapján A reakcióban részt vett reagensek fajtája szerint megkülönböztetünk gyökös, elektrofil és nukleofil reakciókat. A gyökös reakciókban párosítatlan elektronnal rendelkező részecskék – gyökök vesznek részt, amelyek a kémiai kötések homolitikus felhasadásánál keletkeznek (pl. H•, Cl•, H3C•). A gyökös reakciókat kivál-

95

tó reagenseket ezért homolitikus (vagy gyökös) reagenseknek nevezzük. Ha egy vagy több párosítatlan elektronjuk van, nagyon reakcióképes részecskék és rendszerint csak rövid ideig léteznek (a másodperc töredékéig). Állandó anyagokból keletkeznek, pl. az UV-sugárzás hatására. Az elektrofil reakciókban elektrofil részecskék vesznek részt. Ezek elektronokat vonzó részecskék – elektron-akceptorok. Néhány kation tartozik közéjük, pl. H+, Br+, NO+2, de elektromosan semleges molekulák is, amelyek valamelyik atomján elektronritkulás alakult ki, pl. a kénatomon a SO3 -ban. A nukleofil reakciókban nukleofil részecskék vesznek részt. Ezek elektronokat leadó részecskék – elektrondonorok. Néhány anion tartozik közéjük, pl. OH–, I–, de elektromosan semleges molekulák is, amelyek egy vagy több szabad elektronpárral rendelkeznek, pl. H2O, NH3. Az elektrofil és a nukleofil részecskéket, amelyek a kötések heterolitikus felhasadását kiváltják, gyűjtőnéven heterolitikus reagenseknek nevezzük (megkülönböztetünk elektrofil és nukleofil reagenseket).

c) A reakciók felosztása a szubsztrátumon végbement változások alapján A szubsztrátumon bekövetkezett változások jellege alapján a szerves kémiában négy alaptípusú kémiai reakciót különböztetünk meg: addíciókat, eliminációkat, szubsztitúciókat és átrendeződéseket. Az addíció (hozzákapcsolódás) olyan reakció, amelyben a vegyület molekulájában levő többszörös kötésre rákapcsolódik egy másik vegyület molekulája. Az addíció során a többszörös kötések leépülnek, azaz a hármas kötésből kettős kötés, a kettős kötésből egyes kötés lesz. Az addíció a telítetlen (többszörös kötést tartalmazó) vegyületek jellegzetes reakciója. Az addíció példája a telítetlen etilén szénhidrogén reakciója a klórral, amely során 1,2-diklór-etán keletkezik. az addíció helye

etilén

klór

(szubsztrátum)

(reagens)

1,2-diklóretán

A reagens fajtája alapján megkülönböztetünk elektrofil addíciókat (AE) és gyökös addíciókat (AR) Az elimináció (lehasadás) az addíció fordítottja. A kiindulási anyag molekulájából lehasad egy kis, rendszerint szervetlen molekula (pl. H2, H2O, NH3, HCl stb.), miközben kettős vagy hármas kötést tartalmazó vegyület keletkezik. Az elimináció során tehát a kötések megtöbbszöröződnek. Például a hidrogén-klorid eliminációjával a klóretánból etilén keletkezik.

klóretán

etilén

hidrogén-klorid

A szubsztitúció (helyettesítés) az a reakció, amelyben a molekula egy atomját vagy atomcsoportját egy másik atom vagy atomcsoport helyettesíti.

96

A szerves anyagok jellemzése és felosztása

Például az etanol és a hidrogén-klorid reakciója során a hidroxilcsoport helyét klóratom foglalja el, miközben klóretán keletkezik.

etanol

hidrogén-klorid

(szubsztrátum)

(reagens)

klóretán

víz

A kötések felhasadását előidéző reagens típusa alapján megkülönböztetünk elektrofil (SE), nukleofil (SN) és gyökös szubsztitúciókat (SR). Az átrendeződés olyan reakció, amelyben az adott molekulán belül rendeződnek át az atomok. Eközben új, rendszerint stabilisabb vegyület keletkezik. Például a vinil-alkohol átrendeződésének terméke az acetaldehid.

vinil-alkohol

acetaldehid

A szerves kémiában bizonyos addíciókra és eliminációkra önálló elnevezéseket használnak aszerint, hogy milyen anyag kapcsolódik vagy hasad le: pl. hidrogénezés (hidrogén kapcsolódása), dehidrogénezés (a hidrogén eliminálása), hidratálás (víz kapcsolódása), dehidratálás (víz eliminálása). Egyes szubsztitúciós reakcióknak is speciális elnevezésük van, pl. nitrálás, halogénezés (klórozás, brómozás) stb. A szerves vegyületek, a szervetlen vegyületekhez hasonlóan oxidálhatók és redukálhatók. A szerves kémiában a redoxi folyamatokat gyakran leegyszerűsítve jellemezzük. Az oxidáció alatt pl. az oxigén hozzákapcsolódását (oxigenálás) vagy a hidrogén lehasadását (dehidrogénezés) értjük, míg a redukció alatt az oxigén lehasadását (dezoxigenálás) vagy a hidrogén rákapcsolódását (hidrogénezés) értjük. A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • A szerves kémia a szénvegyületek kémiája. A szén képes igen stabilis láncokat alkotni. • A szerves vegyületekben a kovalens kötések dominálnak, amelyek lehetnek egyes, kettős vagy hármas kötések. Az egyes kötéseket -kötéseknek is nevezzük. A kettős kötéseket egy -kötés és egy -kötés alkotja. A hármas kötéseket egy -kötés és két -kötés alkotja. • A szénatomok a szerves vegyületekben négyértékűek, a nitrogénatomok háromértékűek, az oxigénés a kénatomok kétértékűek, a halogénatomok és a hidrogénatomok pedig egyértékűek. • A molekula szerkezetének a leírásához ismernünk kell a konstitúcióját, a konfigurációját és a konformációját. • A csak szént és hidrogént tartalmazó szerves alapvegyületeket szénhidrogéneknek nevezzük. A szénhidrogén egyik hidrogénatomját egy más atommal (heteroatommal) vagy atomcsoporttal helyettesítve szénhidrogén-származékokat kapunk. A szénhidrogén-származékokat a molekulájukba beépült heteroatomok típusa vagy a funkciós csoport alapján osztják fel.

97

• Azokat a vegyületeket, amelyeknek megegyezik az összegképletük, de eltérő a konstitúciós, a konfigurációs és a konformációs képletük, izomereknek nevezik. Megkülönböztetünk konstitúciós és térizomériát. • A szerves kémiában az eredeti kötések megszűnésének módja alapján megkülönböztetünk homolitikus (gyökképző) és heterolitikus (ionképző) reakciókat. A heterolitikus reakciókban elektrofil vagy nukleofil kiindulási anyagok (heterolitikus reagensek) vesznek részt. • A szubsztráton végbemenő változások jellege alapján a szerves kémiában négy reakciótípust különböztetünk meg: addíciókat, eliminációkat, szubsztitúciókat és átrendeződéseket.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Válasszátok ki a helyes állításokat. A szerves vegyületek közé soroljuk: a) valamennyi vegyületet, amely szénatomot tartalmaz. b) a szénsav sóit. c) azokat a vegyületeket, amelyek molekuláiban csak szénatomok és hidrogénatomok találhatók. d) azokat az anyagokat, amelyek az élőlényekben jelen vannak. e) a metánt, az etánt, a propánt, a butánt. f) CH4, H3C–CH3, H3C–CH2–CH3, H3C–CH2–CH2–CH3 2. A szerves vegyületekben levő szénatomra igaz: a) négyértékű, b) képes hidrogénhidakat létrehozni, c) egyes, kettős, hármas és négyes kötéseket létesíthet, d) képes láncokat kialakítani. 3. Válasszátok ki a szénhidrogénekkel kapcsolatos helyes állításokat. a) Molekuláikban csak szénatomot és hidrogénatomot tartalmaznak. b) Molekuláikban kovalens kötések találhatók. c) Különböző heteroatomokat tartalmazhatnak. d) Ezek poláris vegyületek. 4. Írjátok le ezeknek a vegyületeknek az összegképletét:

5. Írjátok le ezeknek a vegyületeknek a teljes konstitúciós képletét.

6. A gyökök: a) a heterolitikus reakciók során keletkező részecskék, b) párosítatlan elektront tartalmazó részecskék, c) a kémiai kötések homolitikus hasadásakor keletkeznek, d) nem reakcióképes részecskék. 7. Válasszátok ki a helyes állításokat a többszörös kötésekről. a) A kettős kötést két -kötés alkotja.

98

A szerves anyagok jellemzése és felosztása

b) A hármas kötést egy -kötés és két -kötés alkotja c) A kettős kötés rövidebb, mint a hármas kötés. d) Ugyanazon atomok között a hármas kötés erősebb a kettős kötésnél. 8. Milyen kémiai reakciótípust képvisel a következő reakció:

a) addíció, b) elimináció, c) szubsztitúció, d) átrendeződés, e) brómozás, f) redukció. 9. Elektrofil reagensek: a) negatív töltésű részecskék, b) pl. a Cl+, Br+, NO+2, c) a kémiai kötések homolitikus hasadásakor keletkeznek, d) elektromosan semleges molekulák szabad elektronpárral. 10. A nukleofil reagensek: a) a kémiai kötések heterolitikus hasadásakor keletkeznek, b) pl. a OH–, I–, c) pl. a H2O, NH3, d) egynél több párosítatlan elektront tartalmaznak. 11. Csoportosítsátok a következő szerves vegyületeket összegképletük alapján szénhidrogénekre és szénhidrogén-származékokra. a) CH4, b) C4H10O, c) C6H6, d) C12H25N, e) C6H5O2N, f) CH3Cl, g) C2H4O2, h) C7H14 12. A képletek közül melyek vonatkoznak az elágazó és melyek az el nem ágazó szénhidrogénekre?

13. Írjátok fel három telített és telítetlen szénhidrogén konstitúciós képletét. 14. Írjátok fel a legegyszerűbb két konjugált kettős kötést tartalmazó szénhidrogén teljes és egyszerűsített konstitúciós képletét. 15. Az alábbi képletekben jelöljétek meg a poláris kötéseket az őket létrehozó atomokon, a + és – szimbólumokkal jelöljétek meg a részleges töltéseket.

16. A konstitúciós izomerek: a) térizomerek, b) pl. az etanol és a dimetil-éter, c) átrendeződésekkel jöhetnek létre, d) azonos az összegképletük, de eltérő a konstitúciós képletük.

99

5 Szénhidrogének Ahogy már a 4.5. fejezetből tudjátok, a szénhidrogének szerves alapvegyületek, amelyek csak szénből és hidrogénből állnak és felosztásuknál többféle szempontot alkalmaznak. Ezek kombinációjával a szénhidrogéneket az 5.1. ábrán bemutatott módon is feloszthatjuk.

5.1 ábra A szénhidrogének felosztása (több szempont kombinációja)

5.1 Alifás szénhidrogének 5.1.1 Az alifás szénhidrogének elnevezése A szerves kémia legnagyobb fejlődését a 19. század végén érte el. Sok szerves anyagot izoláltak és állítottak elő szintetikusan. Megjegyezni az új anyagok összes triviális nevét1 szinte képtelenség volt, ezért 1922-ben a IUPAC2 szerves kémiai szekciója létrehozott egy bizottságot a szerves kémiai elnevezések egységesítésére (nevezéktan), amely mind a mai napig meghatározza a szerves vegyületek elnevezésére vonatkozó szabályokat. A legegyszerűbb alifás szénhidrogénekből vezetik le szinte az összes szerves vegyületet. Ezért az elnevezésük az alapja a bonyolultabb szénhidrogén-származékoknak.

5.2 ábra A IUPAC logója

Az alifás nyílt láncú szénhidrogéneket három alapsorozatba osztjuk: Alkánok – telített szénhidrogének, az -án végződés arra utal, hogy csak egyes kötések szerepelnek bennük, az alkánok általános összegképlete CnH2n+2 (ahol n = 1, 2, 3, ...), Alkének – telítetlen szénhidrogének, az -én végződés arra utal, hogy legalább egy kettős kötés szerepel bennük; az egy kettős kötést tartalmazó alkének általános összegképlete CnH2n (ahol n = 2, 3, ...), Alkinek – telítetlen szénhidrogének, az -in végződés egy hármas kötés jelenlétére utal, az alkinek általános összegképlete egy hármas kötés esetén CnH2n-2 (ahol n = 2, 3, ...). 1 A vegyület eredeti neve, amely nem veszi figyelembe az anyag szerkezetét, csak az eredetére és tulajdonságaira utal. 2 Tiszta és Alkalmazott Kémia Nemzetközi Uniója (International Union of Pure and Applied Chemistry)

100

Szénhidrogének

A szénhidrogének nevének az alapja (az 1–4 szénatomot tartalmazókat kivéve, amelyeknek triviális nevük van) a főláncban található szénatomok száma, amelyet a megfelelő latin vagy görög számnevek tövéből képeznek. 5.1 táblázat A nyílt láncú szénhidrogének homológ sora A szénatomok száma Név

ALKÁNOK Racionális képlet

ALKÉNEK Név

Racionális képlet

ALKINEK Név

*

Racionális képlet *

1

metán

CH4

2

etán

CH3–CH3

etén

CH2=CH2

etín

3

propán

CH3–CH2–CH3

propén

CH2=CH–CH3

propín

HCC–CH3

4

bután

CH3–(CH2)2–CH3

but-1-én

CH2=CH–CH2–CH3

but-1-ín

HCC–CH2–CH3

5

pentán

CH3–(CH2)3–CH3

pent-1-én CH2=CH–(CH2)2–CH3

pent-1-ín

HCC–(CH2)2–CH3

6

hexán

CH3–(CH2)4–CH3

hex-1-én

hex-1-ín

HCC–(CH2)3–CH3

7

heptán

CH3–(CH2)5–CH3

hept-1-én CH2=CH–(CH2)4–CH3

hept-1-ín

HCC–(CH2)4–CH3

8

oktán

CH3–(CH2)6–CH3

okt-1-én

CH2=CH–(CH2)5–CH3

okt-1-ín

HCC–(CH2)5–CH3

9

nonán

CH3–(CH2)7–CH3

non-1-én CH2=CH–(CH2)6–CH3

non-1-ín

HCC–(CH2)6–CH3

10

dekán

CH3–(CH2)8–CH3

dec-1-én CH2=CH–(CH2)7–CH3

dec-1-ín

HCC–(CH2)7–CH3

CH2=CH–(CH2)3–CH3

HCCH

* A metén és metin nem létezik (lásd az alkének CnH2n és az alkinek CnH2n-2 definícióját, ahol n = 2, 3, …) Ahogy az 5.1 táblázatból látható minden sorban a következő szénhidrogénnek eggyel több szénatomja és kettővel több hidrogénatomja van (-CH2-) a sorban előtte állónál – homológ sor.

A homológ sor a hasonló szerkezetű szénhidrogének elrendezése az emelkedő relatív molekulatömeg alapján, miközben a következő tag –CH2– csoporttal gyarapodik az előző taghoz viszonyítva.

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

Az alkánok homológ sorának szénhidrogénjeit „normális”-nak nevezzük és nevükben használhatjuk az n-jelölést, pl. n-bután. Ennek az a magyarázata, hogy az azonos összetételű szénhidrogének szerkezete nagyon változatos. Példaként a C4H10 összegképletű szénhidrogént mutatjuk be. Racionális képlete lehet:

Mindkét anyag láncizomer, ezért eltérő tulajdonságaik is vannak. Ezért meg kell őket a nevükben is különböztetni. Az első lineáris, a második eltérő szerkezetű, a szénlánca elágazik. A metánt, az etánt és a butánt nem jelöljük n- előtaggal, mert nem alkotnak láncizomereket. Ha szeretnénk a meghatározott szabályok alapján helyesen elnevezni a bonyolultabb szénhidrogéneket is, ismernünk kell az alkilek nevét is (4.5. fejezet). Ezek egyes kötést tartalmazó szénhidrogén gyökök, amelyek önállóan nem létezhetnek. A szénhidrogének részei – oldalláncok formájában.

101

5.2 táblázat Néhány alkán, alkén és alkiljeik képlete

Szénhidrogén

A szénhidrogén képlete

Az alkil képlet

Az alkil neve

metán

metil

etán

etil propil izopropil

propán bután

butil

etén

vinil3

Az alkil nevének az alapja a szénhidrogén nevének töve megtoldva az -il végződéssel. A telített szénhidrogének nevének és képletének a megalkotása Ha ismerjük az alapszénhidrogének és a szénhidrogéngyökök (alkilek) nevét, bonyolultabban elágazó szénhidrogéneket is elnevezhetünk. 1. példa: A telített szénhidrogén nevének és képletének megalkotása

1. Keressük meg a leghosszabb, az ún. főláncot, amelyben a legtöbb egymáshoz kapcsolt szénatom található (elágazó is lehet).

2. Megszámozzuk a főláncot úgy, hogy az oldalláncnak (alkilnek) a lehető legalacsonyabb legyen a pozíciója. Ebben az esetben a szénatomokat jobbról kezdjük számozni, ahol az alkil a 3. szénatomon található (balról számozva csak az 5. szénatomra kerülne).

A szénatomok száma a főláncban (7) megadja a szénhidrogén nevének az alapját – heptán. 3. Elnevezzük az alkilgyököt, amely nem része a főláncnak és hozzárendeljük a főlánc szénatomjának a számát, amelyhez kapcsolódik. Ezzel meghatározzuk az alkil helyzetét a főláncon (3. szénatom).

azaz 3-metil

3 A vinil triviális név, az etenil pedig szisztematikus név.

102

Szénhidrogének

4. Az egész nevet úgy képezzük, hogy először feltüntetjük az alkil nevét és pontos helyét (a szénatom számát, amelyhez kapcsolódik) és hozzátesszük az alapszénhidrogén nevét. 3-metilheptán Az elágazó szénhidrogének több alkilgyököt is tartalmazhatnak. Ha különbözők, az elnevezésben ábécé sorrendben írjuk őket (butil, etil, metil, propil stb.), megjelölve a szénatom számát, amelyhez kapcsolódnak. Ha több megegyező alkilgyök is van, a nevük elé az adott számnév görög nevéből alkotott előtagot írunk: 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

mono-

di-

tri-

tetra-

penta-

hexa-

hepta-

okta-

nona-

deka-

Minden alkilcsoportnál fel kell tüntetni azonban a kapcsolódási helyük szénatomjának a számát is (pl. 2,2-dimetilpentán, 3-etil-4-metilhexán). 2. példa: Az elnevezés megalkotása az elágazó szénhidrogén képletéből

1. Keressük meg a leghosszabb főláncot.

2. Megszámozzuk a főláncot (balról, az alkil legalacsonyabb helyzete).

Az alapszénvegyület az oktán. 3. Megnevezzük az alkilgyököket, ábécé rendbe rakjuk és mindegyikhez hozzárendeljük a kapcsolódási helyük számát (az etil az ábécé szerint előbb van, mint a metil, a két metilgyökre a di- előtagot használjuk).

4-etil-2,2-dimetilA teljes név 4-etil-2,2-dimetiloktán. 3. példa: A képlet megalkotása a telített szénhidrogén nevéből A képletnek a telített szénhidrogén nevéből, pl. 3-etil-2-metilpentánból történő megalkotásakor a következőképp járunk el: 1. Az elnevezésből meghatározzuk az alapszénhidrogént és felírjuk a főláncot az egymáshoz kapcsolódó szénatomok száma alapján. Az alap a pentán öt szénatommal. A láncot balról számozzuk meg.

103

2. A harmadik szénatomra kerül az -etil és a második szénatomra a -metil.

3. A főlánc szénatomjához hozzáírjuk a hidrogénatomok számát, miközben ügyelünk a szén és a hidrogén vegyértékére. Az 1. szénatomot kiegészítjük 3 hidrogénatommal, a 2. szénatom mellé csak 1 hidrogénatomot írunk. A szénhidrogén teljes képlete:

A telítetlen szénhidrogének nevének és képletének a megalkotás A telítetlen szénhidrogének nevezéktana (nómenklatúrája) hasonló a telített szénhidrogénekéhez, vagyis ugyanolyan szabályok alapján alkotjuk meg a nevüket. Figyelembe kell azonban venni a többszörös kötés jelenlétét is, amelyet a kettős kötést tartalmazó szénhidrogén nevének -én végződése (alkén), illetve a hármas kötést tartalmazó szénhidrogén nevének -in végződése (alkin) fejez ki. Ugyancsak fontos meghatározni a többszörös kötés helyzetét. Azonos összetétel esetén a szénhidrogénekben a többszörös kötés helyzete eltérhet és így különbözhetnek a tulajdonságaik is. Ezt a többszörös kötések helyzeti izomériájának nevezzük (4.4.1. fejezet). Például a C4H8 összetételű szénhidrogénben a többszörös kötés helyzete különböző lehet:

A többszörös kötés helyzetét a főláncnak az a szénatomja határozza meg, amelyből a többszörös kötés kiindul. Ennek a száma mindig a lehető legkisebb legyen. Ezért az első esetben a szénhidrogén neve helyesen but-1-én és nem but-2-én. Hasonlóan a második esetben a helyes név a but-2-én és nem but-3-én. Ha a szénhidrogénben több egyforma többszörös kötés van, a többszörös kötést jelölő végződéshez egy, a számukat kifejező előtagot írunk, pl. dién, triin stb. 1. példa: A név megalkotása az elágazó telítetlen szénhidrogén képletéből

1. Megkeressük a főláncot. A telítetlen szénhidrogének esetében a többszörös kötések maximálisan lehetséges számát vesszük alapul (ez a lánc nem kell, hogy a leghosszabb legyen).

2. A láncot megszámozzuk, a telítetlen szénhidrogének esetében arról az oldalról kezdjük a számozást, ahol hamarabb fordul elő többszörös kötés. Ebben az esetben balról.

104

Szénhidrogének

Az alapszénhidrogén öt szénatomot tartalmaz, ezért az elnevezés penta- tövét a kettős kötés én végződésével kapcsoljuk össze, a kiindulás szénatom számát, valamint a kettős kötések számát kifejező előtagot is feltüntetve, -1,3-dién. 3. Megnevezzük az oldalláncot és megállapítjuk a vegyület nevét 2-etilpenta-1,3-dién Hasonló módon járunk el a hármas kötést tartalmazó szénhidrogének esetében is, ahol az -in végződést használjuk. 2. példa: A képlet megalkotása az elágazó telítetlen szénhidrogén nevéből A telítetlen szénhidrogén, pl. a 2-etilhexa-1-én-5-in képletének a megalkotásakor így járunk el: 1. A név hexa- tövéből világos, hogy a főláncban hat szénatom kapcsolódik egymáshoz. A kiinduló szénatom száma és az 1-én végződés megadja, hogy egy kettős kötés található az első szénatomon, és hasonlóan a kiindulási szénatom és az 5-in végződés megadja, hogy az ötödik szénatomon hármas kötés található. A többi egyes kötés, leírjuk az alapláncot.

2. A 4. szénatomon hozzáillesztjük az etil CH3–CH2– szénhidrogéngyököt.

3. vegyérték alapján hozzáírjuk az egyes szénatomokhoz a hidrogénatomok számát.

A gyűrűs (aliciklusos) szénhidrogének nevének és képletének a megalkotása Az alifás szénhidrogének csoportjába zártláncú, ún. gyűrűs (aliciklusos) szénhidrogének is tartoznak. A gyűrűs szénhidrogének nevét a megfelelő számú szénatomot tartalmazó alapszénhidrogén nevéből és a ciklo- előtagból vezetjük le. Homológ soruk a három szénatomos szénhidrogénnel kezdődik, amely már képes zárt láncot (gyűrűt) alkotni. A cikloalkánok általános összegképlete CnH2n megegyezik az alkének összegképletével. 5.3 táblázat Néhány azonos szénatomszámú alapszénhidrogén és gyűrűs szénhidrogén neve és képlete

Alapszénhidrogén

Gyűrűs szénhidrogén

105

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • Az alifás szénhidrogéneket hasonló szerkezetük alapján homológ sorokba osztják, miközben a sorozat következő tagja egy –CH2– csoporttal többet tartalmaz, mint az előtte álló. • Homológ sorokat alkotnak: a) a CnH2n+2 összegképletű alkánok, b) a CnH2n összegképletű alkének, c) a CnH2n-2 összegképletű alkinek. • A szénhidrogének nevének megalkotásakor be kell tartani a következő eljárást: 1. Meghatározni a főláncot; a telített szénhidrogének esetében a leghosszabbat, a telítetlen szénhidrogének esetében: a) legtöbb többszörös kötést tartalmazó láncot, b) a legtöbb szénatomszámú láncot, c) a legtöbb kettős kötést tartalmazó láncot. 2. Megszámozni a főláncot és az oldallánchoz rendelni a többszörös kötés kiindulási szénatomját. 3. Az oldalláncok (alkilek) nevét a szénhidrogén nevében ábécérendben tüntetjük fel.

5.1.2 Alkánok Az alkánok telítetlen szénhidrogének, amelyekben csak apoláris kovalens kötések (-kötések) vannak. A szerkezet szempontjából lehetnek lineárisak (egyenes szénlánccal) vagy elágazók.

106

Szénhidrogének

Az alkánok láncizomereket alkotnak, például:

Az alkánok fizikai tulajdonságai Az alkánok fizikai tulajdonságai összefüggenek a növekvő relatív molekulatömegükkel a homológ sorban. A sor következő tagjának 14-gyel (–CH2–) nagyobb a relatív tömege, mint az előtte állónak. Ezért az első négy alkán (metán, etán, propán, bután) normális körülmények között gázok, a pentántól a hexadekánig (C5 –C16) folyadékok, az ennél magasabb szénatomszámúak szilárd anyagok. Az alkánok növekvő relatív molekulatömegével együtt emelkedik az olvadás- és forráspontjuk is. Az alkánok nem oldódnak a vízben, mert molekuláik apolárisak. Mivel a folyékony alkánok nem oldódnak a vízben és a víznél könnyebbek, ha kikerülnek a környezetbe, ökológiai balesetet okoznak. A víz színén vékony filmet képeznek, amely megakadályozza az oxigén bejutását a vízbe, ami árt a vízi ökoszisztémáknak. Az ilyen balesetnél kiszabadult szénhidrogének maradványainak eltávolításánál pozitív tény, hogy nem keverednek a vízzel, a mentőalakulatok képesek összegyűjteni ezeket a víz színén. 5.3 ábra Kőolajjal szennyezett víz Az alkánok oldódnak az apoláris oldószerekben. A cseppfolyós alkánok bizonyos szerves anyagok oldószereként használhatók (pl. tiszta benzinnel zsírfoltokat távolíthatunk el). Az alkánok kémiai tulajdonságai Az alkánok kémiai tulajdonságait meghatározza az összetételük, a kémiai kötéseik típusa és a szerkezetük. Nem túlságosan reakcióképesek, ezért a múltban paraffinoknak (a latin parum affinis = nem reagáló, kevéssé egyesülő nyomán) is nevezték ezeket. Jellegzetes apoláris kötéseik (a C–C kötések elektronegativitás-értékeinek különbsége 0 és a C–H kötéseké 0,4) nem teszik lehetővé a kötések heterolitikus felhasadását. Ezeket a kötéseket csak homolitikusan lehet felhasítani reaktív gyökökre viszonylag nagy energia-bevitellel (UV-sugárzás, magas hőmérséklet, vagy a reakciókeverékben található reagens, amely elősegíti a gyökképződést). Az alkánokra jellemző a gyökös szubsztitúció, amely során a hidrogénatomot egy atom vagy atomcsoport váltja fel. Ez három lépésben játszódik le: 1. iniciáció – gyökök képződése, 2. propagáció – a gyökök reakciója a szubsztrátummal és új gyökök keletkezése, 3. termináció – a gyökök reakciója és megsemmisülése, a reakció befejeződése. Hogy az alkánok reagáljanak, szükségük van egy reaktív reagens – gyök – jelenlétére, amely egy apoláris anyagból (pl. Cl2) keletkezik az UV-sugárzás energiájának a hatására.

A keletkezett gyökök jelenléte lehetővé teszi (iniciálja) az alkán reakcióját, ezért a gyökök előállítását iniciációnak nevezzük. Az alkán pedig a reagensből származó gyökkel reakcióba lép, miközben alkilgyök képződik, amely egy további klórmolekulával reagál.

107

és a reakció addig folytatódik, amíg a szubsztrátum (alkán) el nem fogy. A reakciónak ezt a lépéssorát propagációnak nevezik. A reakció során állandóan nő az egyes gyökök koncentrációja és ezzel megnő a kölcsönös ütközések valószínűsége is. Elkezdődik a termináció, amely folyamán a gyökök reakcióba lépnek egymással, amíg csak el nem fogynak.

A reakció során klóratomok váltják fel a hidrogénatomokat, szubsztitúció játszódik le. Az előbbi reakciót összegezve így írhatjuk fel:

Klórfelesleg esetén a reakció további szintekig is eljuthat, miközben további termékek keletkezhetnek, pl. CH2Cl2, CHCl3, CCl4. A gyökös szubsztitúciós reakciók hátránya a melléktermékek képződése, amelyektől a kívánt fő terméket el kell választani, meg kell tisztítani. Az alkánok eliminációkban is részt vehetnek, amelyeknél hidrogénatom hasadhat le – dehidrogenálás. A reakció energiaigényes – hő formájában – és katalizátor (Pt, Ni, Pd) jelenlétére is szükség van.

Az alkánok oxidálódhatnak is, ami gyökös mechanizmussal megy végbe. Ezeket az oxidációkat égésnek nevezzük és erősen hőtermelők (exotermek). Ezért az alkánokat fűtőanyagként is alkalmazzák. Az oxidáció – az elégetés – végterméke szén-dioxid és víz.

A legfontosabb alkánok áttekintése A metán (CH4) a legegyszerűbb szénhidrogén, de igen nagy jelentőségű. A földgáz mintegy 98 %-át alkotja. Színtelen, szagtalan gáz. Tiszta égése és jó hozzáférhetősége miatt mindenekelőtt mint háztartási fűtőanyagot használják (a földgáz fő alkotórésze). Tökéletes égésnél kék lánggal ég. Nyersanyagként is használják a metanol, a formaldehid és a ciánhidrogén előállítására.

108

Szénhidrogének

5.4 ábra A metánmolekula modelljei

5.5 ábra A metán tökéletes égése

Figyelmeztetés A tökéletlen égésnél, amikor kevesebb oxigén jut az égéstérbe, a metán narancssárga színnel ég. Ilyen esetben a gáztűzhely beállítását bízzátok szakemberre. Soha ne próbálkozzatok meg magatok beszerelni a gázfogyasztókat. A metán a levegővel robbanóelegyet alkot. A metán tökéletlen égésekor korom keletkezik, amelyet festékanyagként a gumiabroncsokba használnak fel. 5.6 ábra A metán tökéletlen égése

A metán az acetiléngyártás, a klórszármazékok, az acetaldehid, az ecetsav és nem utolsósorban a szintetikus polimerek (műanyagok) alapanyaga. A földgáz mellett a metán a mocsárgázban (a növények lebomlásakor keletkezik), a biogázban (a biohulladékok enzimek jelenlétében lejátszódó lebomláskor keletkezik) is megtalálható, valamint része az óceánok fenekén előforduló metánjégnek. A szén-dioxiddal együtt jelentős üvegházhatású gáz, amely hozzájárul a globális felmelegedéshez (2.2. fejezet). Az etán CH3–CH3 normális hőmérsékleten és nyomáson színtelen, íztelen és szagtalan gáz. A földgázból vonják ki, de lehet a kőolaj-feldolgozás mellékterméke is. Mindenekelőtt az etilén előállítására használják, amelyből aztán polietilén készül. A laboratóriumban a nátrium-acetát elektrolízisével állítható elő. A propán CH3–CH2–CH3 és a bután CH3–CH2–CH2–CH3 mint gázok ugyancsak a földgáz alkotórészei. Keveréküket mint viszonylag tiszta ökológiai fűtőanyagokat a gáztűzhelyekben és a gázmeghajtású gépjárművek üzemanyag-keverékeként (LPG) használják. A propánból propént gyártanak. A cikloalkánok közül főleg az öt- és többtagú vegyületek stabilak és az alkánokhoz hasonlóan gyökös szubsztitúciók játszódnak le bennük.

5.7 ábra Propán-bután gázfőző

A legjelentősebb cikloalkán a ciklohexán C6H12. Ez a kőolaj feldolgozása során kapott folyadék, és a műanyagok (poliamidok) nyersanyagaként hasznosítják. A ciklohexán dehidrogénezésével benzol keletkezik.

109

5.8 ábra A ciklohexán molekula modelljei

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

A ciklopropán esetében nem lehetséges a 109°28’ kötési szög fenntartása, ezért nem stabilis. Nem játszódik le rajta gyökös szubsztitúciós reakció, de a gyűrűje a reakció során felnyílik.

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • Az alkánok telített szénhidrogének, amelyek csak egyes kovalens kötéseket (-kötéseket) tartalmaznak. Az alkánok apoláris jellegűek és a vízben nem oldódnak. • A szerkezetük alapján megkülönböztetünk el nem ágazó, elágazó szénláncú alkánokat és cikloalkánokat. • A négy- és több szénatomot tartalmazó alkánok láncizomereket alkotnak. • A növekvő relatív molekulatömeggel arányosan változik az alkánok halmazállapota is; a C1–C4 gázok, a C5–C16 folyadékok, a magasabb szénatomszámúak szilárd anyagok. • Az alkánok jellemző reakciói a gyökös szubsztitúciók. • Az alkánokon elimináció is lejátszódhat – dehidrogénezés, amely során telítetlen szénhidrogének keletkeznek. • Az alkánokat mindenekelőtt mint fűtőanyagokat, továbbá számos szerves anyag gyártásának nyersanyagaként használják. • Az alkánok elsősorban a földgázban és a kőolajban találhatók.

5.1.3 Alkének Az alkének telítetlen szénhidrogének, amelyek molekulájában kettős kötés található; ez egy -kötésből és egy -kötésből áll (4.2.1. fejezet). A régebbi olefinek (olajképzők) elnevezés is a kettős kötés jelenlétére utalt (az olajokban kettős kötéseket tartalmazó szénláncok vannak).

A p-elektronpályák átfedése a -kötésben az atommagok kötőtengelyén kívül valósul meg (a kötőtengelyre merőleges egyenesen, 4.4 ábra). A kettős kötés rövidebb és erősebb, mint az egyes kötés (4.2 táblázat). Az egyes kötéstől eltérően a kettős kötés nem teszi lehetővé az őket alkotó szénatomok rotációját, ezért az alkének geometriai izomereket hoznak létre (4.4.1. fejezet).

110

Szénhidrogének

Az alkének fizikai és kémiai tulajdonságai Az alkéneknek hasonló fizikai tulajdonságaik vannak mint az alkánoknak. A kettős kötés jelenléte azonban nagyon befolyásolja a kémiai tulajdonságaikat. A szénatom -kötései a kettős kötéssel 120° szöget zárnak be és a szomszédos atomok egy síkban helyezkednek el. A kettős kötés az alkének reakciócentruma. Az alkénekre jellemzők az elektrofil vagy a gyökös addíciók, amelyeknél megszűnik a -kötés és csökken a kötés többszörössége. Az elektrofil addíció jellegzetes példája az alkén reakciója hidrogén-halogeniddel.

Az elektrofil részecske a HCl-ben levő kötés polaritása folytán a H+ kation, amely rákapcsolódik az alkén -kötésének elektronjaira. A H+ (szabad az s-pályája) az egyik szénatommal (a kötő elektronok donorjával) donor–akceptor kötést hoz létre, és ezáltal lehetővé teszi a Cl– anion rákapcsolódását a másik szénatomra, amely elektronja elvesztésével pozitív töltésű lett. Hasonló mechanizmussal megy végbe az etilén és a víz reakciója. Az elektrofil H+ részecskét a kénsav nyújtja (katalizátorként működik), mert maga a vízmolekula nukleofil részecske.

Ezzel a reakcióval olcsón gyártható technikai alkohol, amely nem alkalmas szeszes italok előállítására. KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

Az aszimmetrikus alkének (pl. propén) elektrofil addícióinál a reagens többféle módon is kapcsolódhat. Elméletileg tehát több különböző termék keletkezhet. Megállapították azonban, hogy többnyire csak a legstabilisabb dominál közülük. Azt, hogy melyik termék lesz a domináns, a Markovnyikov-szabály határozza meg: A hidrogén (elektrofil) előszeretettel kapcsolódik arra a kettős kötést alkotó szénatomra, amelyen több hidrogén található.

Az alkének fontos addíciós reakciója a hidrogénezés. Ez az alkén és a hidrogén reakciója kb. 200 °C hőmérsékleten katalizátor (leggyakrabban Ni) jelenlétében. Gyökös mechanizmussal megy végbe és a telítetlen szénhidrogénekből telített szénhidrogének keletkeznek.

111

A hidrogénezésnek mint addíciós gyökös reakciónak fontos szerepe van az élelmiszeriparban a zsírok keményítésénél. Ez a növényi olajok átalakítása 30–35 °C olvadáspontú zsírokká. A növényi olajokban főleg hosszú szénláncú telítetlen karbonsavak (zsírsavak) találhatók. Ezek a savak az emberi szervezet számára nélkülözhetetlenek (esszenciálisak). A molekuláikban található kettős kötések hidrogénnel történő telítésével keményített (szilárd) zsírok keletkeznek. Sütésre és különböző krémek előállítására használják őket. Az alkének ipari szempontból további fontos reakciója a polimerizáció. Polimerizációval állítják elő a műanyagokat – polimereket, amelyekből számos használati cikkek (csomagoló anyag, palackok, edények stb.) készülnek. A polimerizáció egy olyan reakció, amikor a többszörös kötéssel rendelkező molekulák (monomerek) nagy egységekké – makromolekulákká (polimerekké) állnak össze. A polimerizáció gyökös vagy ionos mechanizmussal megy végbe. Polietilén előállítása:

Polipropilén előállítása:

A jelentős alkének áttekintése Az etilén (etén) CH2=CH2 a legegyszerűbb gáznemű telítetlen szénhidrogén. Nagy gazdasági jelentősége van, mert sok fontos műanyag gyártásának az alapanyaga. Jelen van a növényekben is, ahol részt vesz a virágok, levelek lehullásának folyamataiban és a gyümölcsérésben.

5.9 ábra Az etilén (etén) molekula modelljei

A propilént (propént) CH2=CH–CH3 a polipropilén előállítására és fertőtlenítőszerek készítésére használják. A konjugált kötéseket tartalmazó telítetlen szénhidrogének közül jelentős a butadién (buta-1,3-dién) CH2=CH–CH=CH2. A szintetikus kaucsuk (sztirol-butadién kaucsuk) gyártására használják. Egészségre ártalmas anyag, amelyet a belső égésű motorok produkálnak. Magas koncentrációja a légkörben a további illékony szerves anyagokkal, a nitrogén-oxidokkal és az ózonnal együtt vezet a füstköd (szmog) kialakulásához. Az izoprén (2-metilbuta-1,3-dién) ugyancsak konjugált kötéseket tartalmazó telítetlen szénhidrogén. A terpéneknek nevezett természetes anyagok alapvegyülete. Közéjük tartozik a természetes kaucsuk is, amelynek kiváló elektromos áramot szigetelő tulajdonságai vannak.

112

Szénhidrogének

KÍSÉRLET A telítetlen kötések kimutatása A telített és a telítetlen szénhidrogének megkülönböztetésére a KMnO4 oldattal vagy a brómos vízzel elvégzett reakciót alkalmazzák. a) A kémcsőbe töltött szénhidrogénhez 2 cm3 KMnO4 oldatot öntünk és összerázzuk. Többszörös kötés jelenlétében a KMnO4 oldat elszíntelenedik, kétértékű alkohol és a MnO2 barnásfekete csapadéka keletkezik.

b) A kémcsőbe töltött szénhidrogénhez 2 cm3 brómos vizet öntünk és összerázzuk. Többszörös kötés jelenlétében a brómos víz barna oldata elszíntelenedik.

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • Az alkének telítetlen szénhidrogének, a szénláncban kettős kötéssel. • A kettős kötés rövidebb, mint az egyes kötés. • A szénatom -kötései a kettős kötéssel 120 °C szöget zárnak be egymással és a szomszédos atomok egy síkban helyezkednek el. • Az alkének geometriai izomereket alkotnak. • Az alkének jellegzetes reakciói az elektrofil és a gyökös addíciók. • Az alkének katalizátor jelenlétében reagálnak a hidrogénnel (hidrogénezés). A reakciót a zsírok keményítésénél alkalmazzák. Alkinek • Az alkének a kettős kötésnek köszönhetően polimerizálódhatnak. • A többszörös kötés jelenlétét KMnO4 oldattal vagy brómos vízzel ki lehet mutatni.

5.1.4 Alkinek Az alkinek az alifás telítetlen szénhidrogének közé tartoznak. A szénláncukban van legalább egy hármas kötés is, amely egy -kötésből és két -kötésből áll (4.4 ábra). A szénatom -kötése a hármas kötéssel 180 °C szöget zár be. A hármas kötés rövidebb a kettős kötésnél (4.2 táblázat).

113

Az alkinek fizikai és kémiai tulajdonságai Az alkinek tulajdonságai elsősorban az alkénekéhez hasonlítanak. A hármas kötés addíciós reakciókat tesz lehetővé. Az alkinek jellegzetes reakciói az elektrofil és a gyökös addíciók. A legjelentősebb reakció a hidrogén-klorid addíciója az acetilénre (etin), amely során vinil-klorid keletkezik.

A vinil-klorid polimerizálódhat, miközben polivinil-klorid keletkezik.

A polivinil-klorid az egyik legjelentősebb műanyag. Számos naponta használt tárgy készül belőle (pl. padlóburkolatok, konyhai edények, játékok, burkolóanyagok). A víz addíciójával az acetilénből vinil-alkohol keletkezik. Mivel a víz nukleofil reagens, a reakció savas kémhatású közeg (H2SO4) és katalizátor (HgSO4) jelenlétét igényli. A keletkező vinil-alkohol nem eléggé stabilis, ezért a stabilabb acetaldehiddé rendeződik át (4.4.1. és 4.6.2. fejezet).

A jelentősebb alkinek áttekintése Az acetilén (etin) HCCH az alkinek legjelentősebb képviselője. Ez színtelen, szagtalan és mérgező gáz, amely a természetben nem fordul elő. Laboratóriumban a kalcium-acetilid és a víz reakciójával állítják elő.

Iparilag a földgáz részleges oxidációjával állítják elő. A tiszta acetilén és az oxigén keverékét hegesztésre (autogén hegesztés) használják, égési hőmérséklete kb. 3000 °C. Oxigén hiányában az acetilén korom keletkezése közben ég. Az acetilén a PVC, az acetaldehid, a technikai ecetsav és az acetát kémia számos anyagának (pl. ragasztók) kiindulási nyersanyaga.

5.10 ábra Az acetilén (etin) molekula modelljei

114

Szénhidrogének

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • • • •

Az alkinek telítetlen szénhidrogének, szénláncukban hármas kötéssel. A hármas kötés rövidebb, mint az egyes és a kettes kötés. Az alkinek jellegzetes reakciói, akárcsak az alkének esetében az elektrofil és a gyökös addíciók. Ipari jelentőségű az acetilénnek a hidrogén-kloriddal (PVC) és a vízzel végbemenő reakciója, ez utóbbi katalizátor jelenlétében, savas közegben (acetaldehid-gyártás). • Az acetilén gyúlékony, az oxigénnel robbanóelegyet alkot.

5.1.5 A szénhidrogén-lelőhelyek és a szénhidrogének feldolgozása A szénhidrogének forrásai fosszilis nyersanyagok, amelyek közé a földgáz, a kőolaj és a kőszén tartozik. A fosszilis nyersanyag szerves eredetű anyagok keveréke, amely évmilliókkal ezelőtt keletkezett növényi és állati maradványokból (fosszilis = megkövesedett).

5.1.5.1 Földgáz A földgáz gáznemű szénhidrogének keveréke, mindenekelőtt metán, propán és bután van benne. Szervetlen anyagokat is tartalmazhat, mint pl. a kénhidrogén (H2S) és szén-dioxid (CO2). Feltételezik, hogy a kőolaj és a kőszén keletkezése során szabadult fel, a növényi és az állati eredetű szerves anyagok elbomlásával. Vagy önállóan termelik ki a földgázlelőhelyeken végzett fúrások segítségével vagy a kőolaj-kitermelés során nyerik, mivel a kőolajtelep felső rétegét alkotja. A legnagyobb földgázlelőhelyek Oroszországban, a Közel-Keleten és Észak-Amerikában találhatók. A fogyasztókhoz földgázvezetékeken szállítják. Nagy fűtőerejű tüzelőanyagként használják. Az égés során a legkisebb mennyiségű káros anyagot, nem kívánatos égésterméket produkál. A hőerőművekben, a villanyerőművekben és a háztartásokban a víz és a gőz melegítésére használják. Színtelen, szagtalan, a levegővel robbanóelegyet alkot. A biztonságos használat érdekében a földgázt bűzlő szaggal jelölik (odorálás).

5.11 ábra Gáztűzhely

Az odorálás kénalapú (tiolok, szulfidok) bűzlő anyagok hozzáadása a szagtalan gázhoz. Az odoráló anyagok feladata, hogy figyelmeztessenek a gázszivárgásra, megakadályozva ezzel a robbanást, a tüzet, esetleg a mérgezést és a fulladást. A földgáz fontos nyersanyag. Nagyon sok kémiai termék készül belőle az acetiléntől kezdve a műanyagokig.

5.1.5.2 Kőolaj A kőolaj sötétbarna vagy akár fekete színű, szerves eredetű éghető folyadék, amelyet főleg alkánok, cikloalkánok, sőt aromás szénhidrogének keveréke alkot. A növényi és az állati maradványok lebomlásával keletkezett. A földkéregben található akár 8 km-es mélységben – rezervoárokban, amelyekből spontán módon kifolyhat, kihasználva a saját nyomását (a kőolaj kiáramlik), vagy alacsony nyomáson a kőolajtelepeken, ahonnan szivattyúkkal hozzák a felszínre. A fogyasztókhoz igen költséges kőolajvezetékeken vagy óriástankereken juttatják el. A legnagyobb kőolaj-kitermelők a Perzsa-öböl államai, Oroszország, USA, Kanada, Mexikó, Venezuela, Kína, Norvégia és a Távol-Kelet, valamint Afrika néhány országa. A legfontosabb ásványi nyersanyag, amely nemcsak a globális gazdaságra van kihatással, hanem a világpolitikára is. A nyersolaj feldolgozásának az alapja a kőolaj-finomítóban a légköri nyomáson végrehajtott szakaszos lepárlás.

115

A szakaszos lepárlás (frakcionált desztilláció) olyan folyamat, amely során a lepárló toronyban az eltérő forráspontjaik alapján elválasztják az egyes kőolajfrakciókat. A torony (kolonna) alsó részében a hőmérséklet a legmagasabb, felfelé haladva a hőmérséklet csökken (5.12 ábra)

5.12 ábra Lepárló torony

A lepárló torony (desztillációs kolonna) néhány részre oszlik emeletekkel és buboréktányérokkal, valamint -sapkákkal (perforált tálcákkal). Minden emeletnek más hőmérséklete van, amelyen adott szénhidrogén-csoportok kondenzálódnak. A szénhidrogének gőzei az alacsonyabb szintről a buboréktányérokon át feljebb jutnak az alacsonyabb hőmérsékletű szintre. A buboréksapka biztosítja a gőzök és a már kondenzálódott folyadék érintkezését. Az emelet hőmérsékletével megegyező forráspontú szénhidrogén-csoport kondenzálódik. Az alacsonyabb forráspontú szénhidrogének gőzei egy magasabb szint felé áramlanak. A kőolaj frakcionált desztillációja során nyert legfontosabb frakciók A petroléter a legkönnyebb kőolajfrakció. Ez C5–C7 számú szénatomból álló, 30–70 °C forráspontú szénhidrogének keveréke. Tisztításra használják. A benzinreformálás során feldolgozzák és elágazó szénhidrogének, gyűrűs szénhidrogének és aromás vegyületek keletkeznek. A benzin C5–C10 szénatomot tartalmazó szénhidrogének keveréke. Minőségét az oktánszámmal fejezik ki. Minél nagyobb az oktánszám, a benzin annál nagyobb arányban tartalmaz elágazó szénhidrogéneket, annál jobb minőségű. A rossz minőségű vagy alacsony oktánszámú benzin a motorban még az előtt meggyullad, hogy a gyertya szikrája kipattan, ami kis robbanásokat okoz (a motor kopogása). Ez lényegében a benzin-levegő keverék égése nem a megfelelő pillanatban. A benzinbe ezért kopogás gátló adalékokat kevernek, hogy javítsák a tulajdonságait. Az oktánszám dimenzió nélküli szám, amely a benzin minőségének a mértéke. Értéke megfelel a 2,2,4-trimetilpentán (izooktán, oktánszám 100) és az n-heptán (oktánszám 0) arányának az adott keverékben. Például, ha az üzemanyag oktánszáma 95 %, úgy viselkedik, mint az a keverék, amely 95 % izooktánt és 5 % heptánt tartalmaz.

116

Szénhidrogének

A petróleum C9–C15 szénatomot tartalmazó szénhidrogének keveréke. Régebben lámpákban világításra használták, ma a sugárhajtású repülőgépek üzemanyagának, a kerozinnak az előállítására szolgál.

5.13 ábra A petróleum felhasználása egykor és ma

A gázolaj C13–C20 szénatomot tartalmazó szénhidrogének keveréke. A dízel motorolaj gyártásának az alapja. A benzintől eltérően a dízelolaj nagyobb relatív molekulatömegű nyíltláncú szénhidrogének keveréke. Alacsonyabb hőmérsékleten sűrűsödik. A dízelmotoroknak ezért télen nagyobb problémájuk van az indítással. A dízelolajat a motorhengerekbe történő befecskendezés előtt szükséges előmelegíteni. Az olajok több frakcióból állnak. A könnyű olajokat kenőanyagokként, a nehezebb olajokat a csapágyak kenésére és fűtésre használják. További feldolgozással – krakkolással (kisebb láncokra történő hasítással) a nehéz olajokból könnyű kőolajfrakciók – üzemanyagok és C2–C4 szénatomszámú alkének készülnek. A pakura a desztilláció maradéka. Olyan szénhidrogéneket tartalmaz, amelyekben a szénatomok száma elérheti a 200-at. Aszfaltot gyártanak belőle, de fűtőanyagként is használják. A kőolaj a petrokémiai ipar alapnyersanyaga. Mindenekelőtt fűtőanyagok és kenőanyagok előállítására szolgál. A kőolajszármazékokból a vegyipar műanyagokat állít elő, de akár peszticideket is. A petrokémiai ipar felöleli a kőolajjal kapcsolatos tevékenységek komplex körét a kitermeléstől, a szállítástól, a raktározástól kezdve a kőolaj-feldolgozáson át egészen azoknak a termékeknek a gyártásáig, amelyeknek a kőolaj az alapnyersanyaga.

5.1.5.3 Kőszén A kőszén fosszilis nyersanyag, amely sok millió évvel ezelőtt keletkezett a növényi szervezetek maradványainak anaerob körülmények között végbement szénülése során. Többnyire a legfontosabb biogén elemek alkotják: szén, hidrogén, oxigén, nitrogén és kén. A széntartalom alapján többféle kőszenet különböztetünk meg. A kőszén annál jobb minőségű, minél nagyobb a széntartalma. A legkiválóbb a feketeszén, amely akár 95 % szenet is tartalmazhat. A kevésbé jó minőségű barnaszén kb. 70 % szenet tartalmaz. Mélységi és külszíni bányákban fejtik. A kőszenet főleg fűtőanyagként használják. A vegyipar fejlődésével kémiai nyersanyagként is megnőtt a szerepe. A kőszenet elgázosítással dolgozzák fel. Régebben így gyártották a világítógázt is (szintézisgáz, H2 és CO keveréke), amelyet mára a biztonságosabb földgáz váltott fel. A kőszén elgázosításával tisztább energia nyerhető mintha közvetlenül elégetnénk a szenet. A szén cseppfolyósításával (karbonizálásával) nyerik a kátrányt, amely nagy arányban tartalmaz könnyű szénhidrogéneket. Ezekből benzint és dízelolajat állítanak elő. További termékek az aromás szénhidrogének: benzol, naftalin és származékaik, a fenolok, de az aromás aminok és a nitrogéntartalmú heterociklusos vegyületek. Az illó összetevőktől megszabadított kőszénből készül a koksz, amelyet a vasgyártásnál és a mész előállításánál használnak. A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • A fosszilis nyersanyagok a következők: földgáz, kőolaj és kőszén. • A földgáz a gáznemű alkánok keveréke, közöttük a legnagyobb arányban a metán van jelen. Elsősorban az energetikában használják.

117

• A földgáz szagtalan, ezért odorálják (szagosítják). • A kőolaj különböző szénhidrogének cseppfolyós keveréke. A feldolgozásánál a kőolaj-finomítóban a legfontosabb művelet a frakcionált desztilláció (szakaszos lepárlás). • A kőolaj a petrokémiai ipar alapnyersanyaga. Fűtőanyagok, kenőanyagok és műanyagok készülnek belőle. • A kőszén energetikai célokra használt szilárd kőzet. Kémiailag fűtőanyagokká és különböző szerves vegyületekké dolgozzák fel.

5.1.5.4 A szénhidrogének és a fosszilis fűtőanyagok környezeti hatása Az egyik világméretű probléma, amellyel az emberiségnek szembe kell néznie a globális felmelegedés. Az okozója elsősorban az üvegházhatású gázok felhalmozódása a légkörben (bővebben a 2.2. fejezetben), amelyek nagyrészt a fosszilis fűtőanyagok elégetésekor keletkeznek. A világon sok olyan hőerőmű működik, amely a nehéz kőolajfrakciót és a kőszenet égeti el villamos energia előállítása céljából. Termelésükkel növelik a szén-dioxid mennyiségét a légkörben, és mindehhez hozzájárulnak a belső égésű motorok égéstermékei is. Az egyik feltevés szerint a magas szén-dioxidkoncentráció és más üvegházhatású gázok mennyiségének növekedése folytán megemelkedhet a légkör és a tengervíz hőmérséklete oly mértékben, hogy felolvad a metánjég az óceánok fenekén és hatalmas mennyiségű metán kerül a légkörbe. Ezért fontos megoldást találni az üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentésére. További megoldás az alternatív energiaforrások keresése, feltárása és elterjesztése (vízenergia, szélenergia, napenergia, fúziós energia). Ezek az alternatív források effektív módon és tisztán képesek helyettesíteni a kimerülő fosszilis fűtőanyagok forrását. A légszennyezés szempontjából súlyos problémát jelent az olcsó, gyenge minőségű, ként és nitrogén tartalmazó fűtőanyagok elégetése. Az égetés során a kén kén-dioxiddá alakul át, amely a nitrogén-oxidokkal együtt savas esőket okoznak (bővebben a 2.6. fejezetben). Figyelmeztetés A szilárd fűtőanyagok elégetésekor (a kemencében vagy kandallóban), ha elegendő oxigén van jelen, az égés tökéletes lesz. Az égéstermék szén-dioxid (CO2) lesz.

Ha viszont az oxigén mennyisége csökken, tökéletlen lesz az égés. Ennek a terméke szén-monoxid lesz, amely nagyon mérgező.

Tekintettel a szén-monoxid mérgezés veszélyére, szükséges gyakran szellőztetni azokat a helyiségeket, ahol szilárd tüzelőanyagokkal fűtenek!!! A petrokémiai ipar nagy mennyiségben különböző műanyagokat is gyárt, amelyek felhasználásukat követően szennyezik a környezetet. A műanyagok azonban újrahasznosíthatók. Ezáltal energiát lehet megtakarítani, csökken a nyersanyagfogyasztás és a környezetet is védjük.

5.14 ábra A műanyagok elkülönítése (szeparálása)

118

Szénhidrogének

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Írjátok fel az alábbi anyagok képletét a) propán, b) but-2-én, c) pent-2-én, d) etin, e) propin, f) ciklopentán, g) etán, h) ciklohexán. 2. Melyik szénhidrogén tartozik az alkinek közé? a) butin, b) propén, c) metán, d) hexén. 3. Írjátok fel a 2,4-dietil-3-metilpenta-1,4-dién képletét. 4. Írjátok fel a 3-etil-2-metilpent-1-én-4-in képletét. 5. Nevezzétek meg az alábbi szénhidrogéneket

6. A szénhidrogénekre jellemző kötés: a) ionos, b) poláris kovalens, c) apoláris kovalens, d) hidrogénhíd. 7. A mellékelt reakció a) szubsztitúció, b) addíció, c) elimináció, d) átrendeződés.

:

8. Az alábbi reakciók közül melyik nem megy végbe: a) alkén + H2O/H2SO4, b) alkén + H2 (Pt), c) alkén + HBr, d) alkén + OH–. 9. A szénhidrogének közül melyik tartozik az alkánok közé? a) bután, b) propén, c) metán, d) hexén. 10. Az alkénekre jellemző kötés: a) poláris kovalens hármas kötés, b) poláris kovalens kettős kötés, c) apoláris kovalens kettős kötés, d) apoláris kovalens hármas kötés.

119

11. A következő reakció a) szubsztitúció, b) addíció, c) elimináció, d) átrendeződés.

:

12. Írjátok fel a propén és a hidrogén-bromid reakcióját. 13. Állapítsátok meg a következő kémiai reakció típusát a) elimináció, b) elektrofil addíció, c) nukleofil szubsztitúció, d) átrendeződés, e) gyökös szubsztitúció, f) nukleofil addíció.

.

14. A gyökös szubsztitúciós reakció melyik részét fejezi ki a reakcióséma? a) iniciáció, b) propagáció, c) termináció. 15. Írjátok fel az acetilén és a hidrogén-klorid reakcióegyenletét. 16. Soroljátok fel a fosszilis fűtőanyagokat. 17. Hogyan határozzák meg a benzin minőségét? 18. Írjátok fel a metán tökéletes és tökéletlen égésének a reakcióegyenleteit. 19. Környéketeken milyen alternatív energiaforrásoknak volnának lehetőségei? 20. Mondjátok el a véleményeteket a környezetszennyező petrokémiai termékekről.

120

Szénhidrogének

5.2 Aromás szénhidrogének Az aromás vegyületek elnevezéssel (a görög aromatikosz = aromatikus, illatos nyomán) eredetileg a jellegzetes illatú, főleg növényi eredetű természetes anyagokat illeték. Ezeknek a kellemes illatú anyagoknak többnyire nincs sok közük azokhoz a vegyületekhez, amelyeket a szerves vegyületek rendszerében aromásoknak neveznek. Léteznek viszont természetes eredetű anyagok, amelyeknek kellemes az illatuk és egyúttal a szerves kémia szemszögéből aromás vegyületek is, pl. a benzaldehid (a keserű mandulából, valamint az őszibarack és a kajszibarack magjaiból), a toluol (a tolui balzsamból). Némelyek a távoli országokból behozott fűszerek alkotórészei, pl. a vanillin (a vaníliából), a p-cimen (a köményből), a fahéj-aldehid (a fahéjból).

benzaldehid

toluol

vanillin

p-cimen

fahéj-aldehid

Napjainkban a szerves kémiában az aromás vegyület fogalma nemcsak az adott anyag illatával, hanem a specifikus szerkezetével is összefügg. Az aromás szénhidrogének jellegzetes képviselője a benzol. A benzol szerkezetének a felismerése meghatározó jelentőségű volt az aromás szénhidrogének tanulmányozásában. 1865-ben F. A. KEKULÉ egy olyan szerkezeti képletet javasolt a benzol számára, amely hatszögű gyűrűként ábrázolja váltakozó egyes és kettős kötésekkel. Ezeket a kötéseket nem egy ponton lokalizált kötéseknek kell tekinteni, hanem áthelyeződhetnek, ezért a benzol esetében két ún. mezomer szerkezetről beszélünk.

A mezomer szerkezetek segítik megérteni a vegyület valódi szerkezetét. Ezeknek a szerkezeteknek a szemléltetésénél két hegyű nyilat használunk (vigyázat, ne keverjük az egyensúlyi állapotra utaló kettős nyíllal). Ez az elrendeződés azonban nem igazán felel meg a benzol tulajdonságainak. A javasolt képlet szerint ennek egy telítetlen gyűrűs szénhidrogénnek kellene lennie három kettős kötéssel (ciklohexa-1,3,5-trién), ezért a jellemző reakcióikhoz addíciók kellenének. A benzol azonban nem így reagál. Kekulé képlete ráadásul nem is lehetne szabályos hatszög, elvégre a kettős kötés rövidebb, mint az egyes kötés (4.3.1. fejezet). 5.15 ábra Friedrich August Kekulé (1829–1896)

A valóságban a benzol molekula nagyon szabályos síkalakzat, a kötések valamennyi szénatomja között egyenértékűek és kölcsönösen 120° szöget zárnak be. A kötések egyenértékűségének az az oka, hogy a szénatomok p–pályái kölcsönösen fedik egymást, miközben olyan tökéletes konjugáció alakul ki, hogy megszűnik az egyes és kettős kötések között a különbség. Ez azt jelenti, hogy a -kötések elekt-

121

ronjai nemcsak egy adott helyen vannak lokalizálva, ahogy azt a Kekulé-féle képlet mutatja, hanem egyenletesen szétterülnek a benzolgyűrű síkja fölött és alatt (5.18 ábra). Ebben az esetben a π-elektronok delokalizációjáról beszélünk. A szénatomok közötti távolság a benzolban 0,139 nm, ami az egyes és a kettős kötés közötti érték. Az elektronok delokalizációja csökkenti a molekula potenciális energiáját és egyúttal rendkívül megnöveli a stabilitását. A molekulák ilyen belső szerkezeti elrendeződését aromás rendszernek nevezzük. Valamennyi aromás vegyület jellemző vonása.

5.16 ábra A -elektronok elhelyezkedése a benzol molekulában A -elektronok delokalizált rendszere gyűrűket alkot a benzolgyűrű síkja fölött és alatt.

Az aromás vegyületek (arének) gyűrűs szénhidrogének a kettős kötések alternáló rendszerével, amelyben sor kerül a -elektronok delokalizációjára. Az aromás szénhidrogének jellegzetes tulajdonságai Az aromás szénhidrogéneknek néhány közös szerkezeti tulajdonságuk van: 1. Gyűrűs vegyületek. 2. Aromás rendszerük minden atomja (a szén és a hidrogén) egy síkban helyezkednek el. 3. A -elektronok delokalizációjával összekapcsolt alternáló kettős kötések rendszerét tartalmazzák. KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

Mely vegyületek aromásak? Az aromás vegyületek alaposabb tanulmányozása során megállapították, hogy a delokalizált elektronok száma nem tetszőleges. Aromás tulajdonságaik csak azoknak a vegyületeknek lehetnek, amelyek gyűrűjében 4n + 2 -elektron van, ahol n természetes szám (0, 1, 2, 3, 4 stb.). Ezt a feltételt Hückel szabálynak nevezzük – Erich Hückel (1896–1980) német fizikokémikus nyomán. A benzol molekulában 6 -elektron található, amely megfelel a Hückel szabálynak, ha az n helyére 1 kerül (4 x 1 + 2 = 6). Ennek a feltételnek más aromás vegyületek is megfelelnek, pl. a naftalin, amelynek 10 -elektronja van: n = 2 (4 x 2 + 2 = 10), vagy a 14 -elektronnal rendelkező antracén, ha n = 3 (4 x 3 + + 2 = 14) stb. Noha Kekulé képlete nem felel meg a benzol valódi konstitúciójának, a gyakorlatban sokszor alkalmazzák. Használják azt a képletet is, amely a leginkább megfelel a delokalizációval kapcsolatos elképzelésnek: a konjugált kötések helyett a hatszögbe egy kört írunk. Az IUPAC viszont a lokalizált kettős kötéseket tartalmazó képlet használatát javasolja.

122

Szénhidrogének

Az aromás vegyületek felosztása A benzolból további aromás szénhidrogének vezethetők le, mégpedig egy vagy több hidrogénatomját helyettesítve szénhidrogén-gyökökkel vagy további benzolgyűrűk hozzákapcsolásával. A benzolgyűrűk száma alapján az aromás szénhidrogének lehetnek: 1. Monociklusosak, csak egy benzolgyűrűvel,

2. Policiklusosak, több benzolgyűrűt tartalmaznak, amelyek tovább oszthatók elrendeződésük alapján: a) arének kondenzált aromás gyűrűkkel,

b) arének izolált aromás gyűrűkkel,

c) arének elválasztott aromás gyűrűkkel.

A legegyszerűbb aromás szénhidrogének esetében triviális elnevezések használatosak. A többi aromás szénhidrogén nevét a benzolból vagy más egyszerű arénból vezetik le szubsztitúciós módszerrel. Az aromás szénhidrogénekből levezetett egyértékű szénhidrogéngyököket általában aril-csoportoknak nevezik. A benzolból levezetett egyértékű szénhidrogéngyök neve fenil- (az elnevezés a benzol eredeti nevéből: fen ered). A toluolból levezethető egy alkilgyök is, ha a metil-csoportjából lehasítunk egy hidrogént (benzil-).

123

A legtöbb aromás szénhidrogén a benzolból van levezetve, ezért benzoid aréneknek nevezik őket (benzol, toluol, naftalin stb.). Rajtuk kívül vannak ún. nem-benzoid arének is, amelyek alapépítőegysége nem a benzol (pl. az azulén).

Az aromás szénhidrogének fizikai tulajdonságai A monociklusos aromás szénhidrogének gyúlékony folyadékok. Tekintettel apoláris jellegükre vízben nem oldódnak, de számos szerves oldószerben jól oldódnak. A folyékony arének maguk is kiváló oldószerei az apoláris anyagoknak. A policiklusos arének szilárd anyagok, amelyek számos fizikai tulajdonsága emlékeztet a monociklusos arénekére. Némelyek képesek szublimálni (pl. a naftalin). Az aromás vegyületek toxikusak, némelyeknek kábító hatásuk van (pl. benzol, toluol). A benzol rákkeltő hatású (karcinogén) anyag. Az aromás vegyületek kémiai tulajdonságai Az aromás rendszer megléte az oka annak, hogy a benzol és a többi aromás szénhidrogén általában miért nem viselkedik úgy, mint a telítetlen vegyületek – nem megy végbe rajtuk addíció. Ezt igazolják a reakcióik is, amelyek a telített vegyületek reakcióira emlékeztetnek, pl. a benzol normális körülmények között nem színteleníti el sem a brómos vizet, sem a kálium-permanganát oldatát. Az aromás szénhidrogének jellegzetes reakciói az elektrofil szubsztitúciók, amelyek során az aromás gyűrű hidrogénje (protonja) helyére egy másik elektrofil részecske (elektrofil reagens) kerül – szubsztitúció. A molekulák aromás jellege az elektrofil szubsztitúciók során megmarad. Az arének elektrofil szubsztitúciói közé tartozik pl. a nitrálás és a halogénezés (klórozás vagy a brómozás). A benzol nitrálásánál az egyik hidrogénatomját nitrocsoport –NO2 helyettesíti. A reakciót ún. nitrát keverékkel (a salétromsav és a kénsav elegye) hajtják végre. A nitráló reagens ebben a reakcióban a nitrónium kation NO+2, amelynek elektrofil jellege van.

124

Szénhidrogének

A benzol halogénezésekor az egyik hidrogénatomját a halogénatom cseréli fel. A klórozás vagy a brómozás a klórral vagy a brómmal történik, és olyan anyagok katalizálják (pl. AlCl3, FeCl3), amelyek képesek heterolitikusan felhasítani a Cl–Cl vagy a Br–Br kötéseket, miáltal elektrofil reagens Cl+ vagy Br+ keletkezik. Pl. a benzol klórozásával klórbenzolt kapunk.

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

Elektrofil szubsztitúció a benzolon a második szintre Ha a benzolgyűrűn két szubsztituens található, egymáshoz viszonyítva három különböző helyzetben lehetnek. 1. helyzet 1,2-, ezt orto- (o-) helyzetnek nevezzük, 2. helyzet 1,3-, ezt meta- (m-) helyzetnek nevezzük, 3. helyzet 1,4-, ezt para- (p-) helyzetnek nevezzük. Mivel a benzol molekulában minden szénatom (és hidrogénatom) egyenértékű, a benzolon lejátszódó első szintű szubsztitúcióknál nem lényeges, hogy melyik hidrogénatomját helyettesítik. Ha azonban a reakció tovább jut a második szintre, azaz egy újabb hidrogénatomot is lecserélnek, akkor az első szubsztituens jellege (amely már ott van a benzolgyűrűn) dönti el, hogy melyik szénatomhoz kapcsolódik a második szubsztituens. Ez alapján az (első) szubsztituenseket két csoportba osztjuk: 1. orto- (o-, 1,2-) és para- (p-, 1,4-) irányító szubsztituensek, amelyek eligazítják a második szubsztituens belépését az orto- és a para- helyzetbe. Ezek például alkil-csoportok (–CH3, –CH2CH3), halogének (–F, –Cl, –Br, –I), –OH és –NH2. Például a toluol nitrálásakor (-CH3 csoportja orto- és para- irányító szubsztituens) főleg o-nitrotoluol és p-nitrotoluol keletkezik, és csak minimális mennyiségű m-nitrotoluol.

2. meta- (m-, 1,3-) irányító szubsztituensek, amelyek a másodikként belépő szubsztituenst a metahelyzetbe irányítják. Ezek pl. a –NO2, –COOH csoportok. Például a nitrobenzol nitrálásakor (–NO2 csoportja meta- irányító szubsztituens) főleg m-dinitrobenzol keletkezik és csak kis mennyiségű o-dinitrobenzol és p-dinitrobenzol.

125

A jelentősebb aromás szénhidrogének áttekintése A benzol (C6H6) színtelen gyúlékony folyadék, amely a levegővel robbanóelegyet alkot. Oldószerként és számos más szerves vegyület (pl. fenol, anilin, etilbenzol), gyógyszer, festék és műanyag előállítására használják. Kiváló oldószer, de hátránya a toxicitása és rákkeltő hatása. A szén cseppfolyósítása során keletkező termékekből (5.1.5.3. fejezet) vagy a ciklohexán dehidrogénezésével nyerik.

5.15 ábra A benzol molekula modelljei

A toluol vagy metilbenzol (C6H5-CH3) cseppfolyós anyag, amelyet oldószerként használnak, de a vegyiparban is, pl. benzoesav, szaharin (mesterséges édesítőszer) és trinitro-toluol (TNT robbanószer) előállítására. A benzollal összevetve a toluol kevésbé toxikus. A toluol gőzeinek rendszeres belégzése függőséget okoz (szipózás; illóanyagok, szerves oldószerek gőzeinek a belélegzése, pl. aceton, benzol, benzin stb.) és az agy, a máj tartós károsodását okozhatja, és nagyobb adagok esetén akár halálhoz is vezethet. A sztirol vagy vinilbenzol (C6H5-CH=CH2) a polisztirol előállításának kiindulási anyaga. Rákkeltő tulajdonságai vannak. A naftalin (C10H8) fehér, gyöngyházfényű pikkelyes kristályokat alkot. A feketeszén-kátrányban található. Már szobahőmérsékleten szublimál. Jellegzetesen átható szaga van. Elriaszt bizonyos állatokat, pl. a molyokat, és ezt a ruhák megóvására használják fel. Fertőtlenítő hatása is van. A vegyiparban különböző szerves anyagok, pl. festékek gyártásának nyersanyaga.

126

Szénhidrogének

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • Az aromás vegyületek (arének) gyűrűs szénhidrogének konjugált kettős kötések rendszerével, amelyben a -elektronok delokalizáltak. • Az aromás alapszénvegyület a benzol. • Az aromás szénhidrogének nem oldódnak a vízben. Közülük több viszont nagyon jó oldószere más apoláris szerves vegyületnek. • Az aromás vegyületek kémiai tulajdonságai eltérnek a telítetlen vegyületek tulajdonságaitól. • Az aromás szénhidrogének jellegzetes reakciói az elektrofil szubsztitúciók (pl. nitrálás, halogénezés). • Számos aromás szénhidrogén mérgező, némelyeknek rákkeltő hatásuk is van (benzol).

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Az aromás szénhidrogének: a) erőteljes aromájú szerves vegyületek, b) aromás rendszerük valamennyi szénatomja egy síkban található, c) gyűrűs szénhidrogének konjugált kettős kötésekkel, d) gyűrűs szénhidrogének kumulált kettős kötésekkel, e) aréneknek nevezzük őket, f) kimutathatók brómos vízzel reagáltatva. 2. Írjátok fel a vegyületek és a szénhidrogéngyökök egyszerűsített szerkezeti képleteit: a) etilbenzol, b) butilbenzol, c) vinilbenzol, d) 1,2-dimetilbenzol, e) 1,3-dietilbenzol, f) 1,4-dipropilbenzol, g) fenil-, h) benzil-. 3. Az alábbi szerkezetekben egészítsétek ki a hidrogénatomokat:

4. Válasszátok ki a helyes megállapításokat az aromás szénhidrogénekről. a) Molekuláikban poláris kötések találhatók. b) Csak egyes kötéseket tartalmazhatnak. c) Számos közülük más szerves anyagok kiváló oldószere. d) Hasonlóan reagálnak, mint a telítetlen vegyületek. 5. Melyik reakciótípusok jellemzőek az aromás szénhidrogénekre? a) elektrofil addíciók, b) gyökös szubsztitúciók, c) elektrofil szubsztitúciók, d) ugyanazok, mint az alkének és az alkinek esetében.

127

6 Szénhidrogén-származékok A szénhidrogén-származékok szerves vegyületek, amelyek elméletileg levezethetők a szénhidrogénekből, ha molekulájukban egy vagy több hidrogénatomjukat más atommal vagy atomcsoporttal (funkciós csoporttal) helyettesítjük.

A szénhidrogén-származékok tulajdonságai főleg a funkciós csoporttól (szubsztituenstől) függenek, de befolyásolja őket a szénhidrogéngyök is, amely lehet például alkil (–R) vagy aril (–Ar). Bizonyos szénhidrogén-származékok több egyforma vagy eltérő funkciós csoportot tartalmaznak. A szénhidrogén-származékok néhány szempont alapján csoportosíthatók, pl. a szubsztituensek száma vagy a szénhidrogéngyök jellege (telített, telítetlen, aromás) alapján. A szénhidrogén-származékok felosztásának fő kritériuma azonban a funkciós csoport típusa (6.1 ábra).

6.1 ábra A szénhidrogén-származékok felosztása funkciós csoportjaira

128

Szénhidrogén-származékok

6.1 A szénhidrogének halogénszármazékai A szénhidrogének halogénszármazékai olyan szerves vegyületek, amelyek molekuláiban egyértékű halogéncsoport –X (ahol az X F, Cl, Br vagy I) van. A halogéncsoport kapcsolódhat telített, telítetlen vagy aromás szénhidrogéngyökhöz. Eszerint megkülönböztetünk halogén alkánokat (alkil-halogenideket), halogén alkéneket (alkenil-halogenideket) és halogén aréneket (aril-halogenideket). Miután mindegyik levezethető a szénhidrogénekből úgy, hogy a hidrogénatomot halogénatommal helyettesítik, nevezhetjük őket halogén-szénhidrogéneknek is. A legelterjedtebbek a klórszármazékok. A halogén jelenlétét a vegyületben a szubsztitúciós nevezéktanban az adott szénhidrogén nevéhez illesztett halogén- előtag fejezi ki. A csoportos nevezéktan alapja a szénhidrogéngyök neve, amelyhez hozzákapcsolják a -halogenid utótagot. Számos halogénszármazéknak triviális neve van.

A szénhidrogén-halogenidek fizikai tulajdonságai A szénhidrogén-halogenidek fizikai tulajdonságai függenek a molekulák méretétől, de a hozzájuk kapcsolódó halogénatomok számától is. A szénhidrogén-halogenidek a vízben oldhatatlanok. Másrészt nagyon jó oldószerei más szerves vegyületeknek (pl. a zsíroknak). A legalacsonyabb halogénszármazékok gázneműek, a többi folyadék vagy szilárd anyag, főleg ha több halogénatomot tartalmaznak (pl. a jodoform – CH3I). A halogénszármazékoknak összevetve a velük azonos számú szénatomot tartalmazó szénhidrogénekkel magasabb az olvadáspontjuk és a forráspontjuk, amely a halogénatom növekvő rendszámával összhangban emelkedik.

A halogénszármazékok kémiai tulajdonságai A halogénszármazékok kémiai tulajdonságai a C–X kötés jellegéből adódnak. Mivel a halogének elektronegativitásának értéke nagyobb, mint a széné, ez a kötés poláris. A kötő elektronpár ezért a halogén felé tolódik el (az elektronsűrűség a halogénatomon nagyobb), aminek következtében a halogénatomon részleges negatív töltés, a szénatomon pedig részleges pozitív töltés keletkezik:

129

A C–X kötés polaritása következtében a kémiai reakciók során ez a kötés többnyire heterolitikusan szűnik meg. Ez azt jelenti, hogy a kötő elektronpár teljesen áttolódik a halogénatomhoz, amely aztán halogenid anion formájában lehasad. A halogénezett szénhidrogének jellegzetes reakciói a nukleofil szubsztitúciók. Ezek során a halogénatomot egy másik funkciós csoport (nukleofil reagens) váltja fel.

Ezekben a reakciókban nukleofil reagensként olyan semleges részecskék is közreműködhetnek, amelyek szabad elektronpárt vagy anionokat biztosíthatnak:

A halogénszármazékok reaktivitása függ a halogén típusától és a szénhidrogéngyöktől. A leginkább reakcióképesek a jódszármazékok, a legkevésbé a fluorszármazékok. Az alkilhalogenidek közepes mértékben reakcióképesek, azok az alkenilhalogenidek, amelyekben a halogénatom közvetlenül a kettős kötésben résztvevő szénatomhoz kapcsolódik (pl. vinil-klorid), nem reaktívak. A nukleofil reagensekkel szemben csekély reakcióképességet mutatnak az arilhalogenidek is (pl. a klórbenzol). A halogénszármazékok a nukleofil szubsztitúciók mellett az eliminációkban is közreműködnek. Ezek során nemcsak a halogénatom hasad le halogenid anion formájában, hanem a szomszédos szénatom hidrogénatomja is, mint H+, miközben többszörös kötés jön létre. Pl. a brómetán és a nátrium-hidroxid reakciója során etilén keletkezik.

130

Szénhidrogén-származékok

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

Az aszimmetrikus szénhidrogén-halogénszármazékoknál a H+ lehasadásának több lehetősége is van, mert ezekben az esetekben a szénatom és a halogéncsoport mellett több hidrogénatomot tartalmazó szomszédos atom van. Elméletileg tehát több fajta termék keletkezhet. Megállapították azonban, hogy mindig csak egy lehetséges termék dominál, a legstabilisabb. Hogy melyik termék lesz azt, a Zajcevszabály határozza meg: Az elimináció során a hidrogén-kation H+ a legkevesebb kötött hidrogénnel rendelkező szénatomról hasad le.

A jelentős halogénszármazékok áttekintése A tetraklórmetán, szén-tetraklorid (CCl4) színtelen, jellegzetes szagú mérgező folyadék. A kloroformhoz hasonlóan jó oldószer. Régebben az ún. tetraklórt tűzoltó készülékek töltőanyagaként alkalmazták. Ma erre a célra már nem használják, mert az oltás során nagyon toxikus foszgén (COCl2) keletkezhet. A kloroform, triklórmetán (CHCl3) illékony, édeskés illatú folyadék, amelyet gyakran használnak a laboratóriumokban a szerves vegyületek kiváló oldószereként. Érzéstelenítő és kábító hatása van, mert az idegrendszer átmeneti tompultságát idézi elő. A kloroformot régebben az orvoslásban narkotikumként alkalmazták. A jodoform, trijódmetán (CHI3) sárga szilárd anyag, amelynek sáfrányillata van. Fertőtlenítő hatású.

6.2 ábra A jodoform molekula modelljei

A vinil-klorid, klóretén (CH2=CHCl) rákkeltő gáz. A PVC rövidítés alatt ismert polivinil-klorid előállítására használják (5.1.4. fejezet). A nem lágyított PVC (Novodur néven ismert) főleg szigetelő anyagok gyártására szolgál. A lágyított PVC-t (neve Novoplast) pl. fóliák, játékok, padlóburkolatok, műszőrmék, műbőrök készítésére használják. A freonok olyan halogénszármazékok, amelyek legalább 2 eltérő halogénatomot tartalmaznak, miközben az egyik a fluoratom. Felhasználják őket hajtógázként különböző sprayekben, és mint hűtőmédiumot is a hűtőszekrényekben. Az utóbbi években a gyártásukat korlátozzák, mert behatolnak a légkör magasabb rétegeibe is, ahol megbontják az ózonréteget (2.6. fejezet), amely védi bolygónkat a túlzott UV-sugárzástól. Ennek a csoportnak jellegzetes képviselője a difluor-diklórmetán – CCl2F2 – (freon 12). A tetrafluor-etilén (F2C=CF2) gáznemű anyag, amelyet a teflon polimer gyártásánál használnak, ez kitűnik a vegyszerekkel és a magas hőmérsékletekkel szembeni ellenálló-képességével.

131

Bizonyos halogénszármazékoknak inszekticid (rovarirtó) hatásuk van, pl. a DDT, 1,1,1-triklór-2,2-bis(4-klórfenil) etán, amelyet a múltban a rovarok elpusztítására használtak. Később kiderült, hogy a tápláléklánc közvetítésével bekerül az állatok és így az ember szervezetébe is, ahol a zsírszövetben halmozódik fel. Mivel rákkeltő, mutagén és toxikus, használatát nálunk 1974-ben betiltották.

6.3 ábra A teflont a főzőedények felületének bevonására is használják

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • A szénhidrogének halogénszármazékai szerves vegyületek, amelyeket a szénhidrogénekből vezetjük le egy vagy több hidrogénatomjuk halogénatommal (F, Cl, Br, I) történő helyettesítésével. Poláris C–X kötést tartalmaznak. • A szénhidrogének halogénszármazékai a vízben nem oldódnak. Számos közülük más szerves vegyületek nagyon jó oldószere. • A halogénszármazékok jellegzetes reakciói a szubsztitúciók és az eliminációk. • Számos halogénszármazék mérgező, némelyek rákkeltőek és mutagének.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Írjátok fel a vegyületek nevét: a) CH3CH2I, b) C6H5Br, c) CH2=CHF, d) CH3Br. 2. Írjátok fel a vegyületek teljes szerkezeti képletét a) fluor-klórmetán, b) 1,3-diklórpentán, c) fluorciklopentán, d) 1,2-dibrómpropén, e) trijódmetán, f) 1-klórbut-2-in. 3. A következő szerkezetek közül válasszátok ki azokat, amelyeket freonokként jelölhetünk meg:

132

Szénhidrogén-származékok

4. A következő adatok alapján állapítsátok meg az anyagok halmazállapotát normális körülmények között: tf = 132 °C, a) klórbenzol to = –45 °C b) kloroform to = –63,5 °C tf = 61,2 °C, c) klórmetán to = –93 °C tf = –24 °C, tf = 76,8 °C. d) tetraklórmetán to = –23 °C 5. Válasszátok ki a helyes állításokat a halogénszármazékokról. a) A szén–halogén kötés apoláris. b) Csak egyes kötéseket tartalmazhatnak. c) Számos közülük a zsírok kitűnő oldószere. d) A kevéssé reaktív vegyületek közé tartoznak. 6. Mely reakciótípusok jellemzőek a halogénalkánokra? a) nukleofil szubsztitúciók, b) gyökös szubsztitúciók, c) elektrofil szubsztitúciók, d) eliminációk. 7. A szénhidrogén-halogenidek közül alighanem rákkeltő hatású: a) jodoform, b) szén-tetraklorid, c) tetrafluor-etilén, d) vinil-klorid. 8. Miért kell korlátozni a freonok alkalmazását:

6.2 Nitrogéntartalmú szénhidrogén-származékok A szénhidrogének nitrogénszármazékai szerves vegyületek, amelyekben egy vagy több szénatomhoz nitrogénatom kötődik. C–N kötést tartalmaznak. A nitrogén vegyületeiben három értékű (kivéve azokat az eseteket, amikor atomjainak pozitív töltése van). A nitrogénatom különböző funkciós csoportok tagja, és ezek alapján megkülönböztetünk néhány nitrogénszármazék típust. A nitrogént tartalmazó szerves vegyületek nagyszámú típusai közül mi közelebbről két csoporttal: az aminokkal és a nitrovegyületekkel ismerkedünk meg.

6.2.1 Aminok Az aminok nitrogéntartalmú szénhidrogén-származékok, amelyeket egy, két vagy három hidrogénatom –R szénhidrogéngyökkel (alkil- vagy aril-csoporttal) történő helyettesítésével kapunk az ammóniamolekulában NH3. Az ammóniamolekulában helyettesített hidrogénatomok száma alapján megkülönböztetünk: •elsőrendű (primer) aminokat – egy hidrogén helyettesítésével keletkeznek, •másodrendű (szekunder) aminokat – két hidrogénatom helyettesítésével keletkeznek, •harmadrendű (tercier) aminokat – három hidrogénatom helyettesítésével keletkeznek.

133

Az –R szénhidrogéngyökök (csoportok) a másodrendű és a harmadrendű aminokban egyformák vagy eltérőek lehetnek (vegyes aminok). Az aminok nevét a szisztematikus nevezéktan szerint vagy az amino- előtaggal vagy az -amin utótaggal képezzük az adott szénhidrogénhez kapcsolva. Számos amin esetében azonban gyakrabban a triviális elnevezést használjuk (anilin, kadáverin, putreszcin).

Az amin nitrogénatomja egy gyűrű része is lehet. A gyűrűs aminok neve többnyire triviális.

Az aminok fizikai tulajdonságai A legkisebb szénatomszámú alkil-aminok csípős szagú gázok, amelyek az ammóniára emlékeztetnek. Vízben oldódnak, molekuláik a vízmolekulákkal hidrogénhidakat alkotnak. A növekvő relatív molekulatömeggel az oldékonyság csökken és megváltozik a halmazállapotuk is. A közepes nagyságú aminok és az aril-aminok kellemetlen szagú folyadékok, míg a több szénatomot tartalmazó aminok szilárd, szagtalan anyagok. Az aminok kémiai tulajdonságai Az aminok kémiai tulajdonságait elsősorban a molekulában levő aminocsoport határozza meg. Az aminocsoport nitrogénatomjának szabad elektronpárja van, amely az aminok bázikus jellegéért felelős. Az aminok bázikus tulajdonságait befolyásolja a nitrogénre kapcsolódó szénhidrogéngyökök jellege és száma. Az alkil-aminok bázikusabbak, mint az ammónia, az aril-aminok kevésbé bázikusak, mint az ammónia.

134

Szénhidrogén-származékok

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

Az aminok bázikus jellege lehetővé teszi, hogy reagáljanak a savakkal, tehát megköthetik a savból felszabadult hidrogén kationt H+. Eközben ammónium sók keletkeznek, amelyekben a nitrogén töltése +1 (kvaterner nitrogénatom). Ezek ionos vegyületek, amelyeknek része az alkalmazott savból levezetett anion is.

A jelentősebb aminok áttekintése A metil-amin (CH3NH2), a dimetil-amin – (CH3)2NH és a trimetil-amin – (CH3)3N a fehérjék lebomlásakor keletkeznek. A halak konyhai előkészítése során is érezni jellegzetes szagukat, amit mérsékelhetünk, ha a hal húsát citrommal vagy ecettel (vagyis szerves savval) csepegtetjük meg. A gyógyszerek gyártásánál is alkalmazzák ezeket. A putreszcin (tetrametilén-diamin) – H2N-(CH2)4-NH2 és a kadáverin (pentametilén-diamin) – H2N-(CH2)5-NH2 a fehérjék lebomlásakor keletkeznek a rothadó húsban. Toxikusak, ezért gyakran „hullamérgeknek” is nevezik ezeket.

A hexametilén-diamin – H2N-(CH2)6-NH2 a SILON és a NYLON márkanevű poliamidszálak gyártásának nyersanyaga. Az anilin (fenil-amin) – C6H5NH2 a kátrány része. Tiszta állapotban mérgező színtelen folyadék, amelyet festékek és gyógyszerek gyártására használnak.

6.2.2 Nitrovegyületek A nitrovegyületek nitrogéntartalmú szénhidrogén-származékok, amelyek egyértékű funkciós csoportot –NO2 tartalmaznak. Ezt nitrocsoportnak nevezzük. A nitrovegyületek legnagyobb csoportját a nitroalkánok és a nitroarének alkotják. Számosan közülük molekulájukban több nitrocsoportot is tartalmaznak. A nitrovegyületek nevét úgy képezzük, hogy a nitro- előtagot a megfelelő szénhidrogén elé helyezzük.

135

A nitrocsoport szerkeze így írható fel:

De egyik képlet sem fejezi ki pontosan a valóságot. Megállapították, hogy a két oxigénatom és a nitrogénatom közötti kötések egyenértékűek, egyforma a távolságuk és a negatív töltés az oxigénatomokon egyenletesen oszlik meg. Ezért a nitrocsoport valódi szerkezetét általában így fejezzük ki:

Mivel a nitrocsoport egyes atomjainak elektromos töltésük van, a nitrovegyületek a poláris szerves vegyületek közé tartoznak.

A nitrovegyületek fizikai tulajdonságai A nitrovegyületek folyékony vagy szilárd anyagok, vízben rosszul oldódnak (a nitrometántól csökken az oldhatósága a szénlánc növekvő szénatom számával arányosan, vagy egy aril-csoport jelenlétében a molekulában), de jól elegyednek a szerves oldószerekkel. Többnyire kellemes az illatuk.

A nitrovegyületek kémiai tulajdonságai A nitrovegyületek nagyon reaktívak. A kémiai reakciók közül a legfontosabb a redukciójuk, amely során a nitrocsoportot egészen az aminocsoportig (–NH2) lehet redukálni. A redukciót leggyakrabban fémekkel (Fe, Sn) végzik savas közegben vagy hidrogénnel katalizátorok (Pt, Ni) jelenlétében. A nitro-benzol redukciójával anilint állítunk elő

A jelentősebb nitrovegyületek áttekintése A nitrovegyületek a festékek, a gyógyszerek és a robbanószerek gyártásának kiindulási anyagai. A robbanékonyságot több nitrocsoport jelenléte okozza a szerves molekulában. A legfontosabb nitrovegyületek a nitro-arének. Más aromás nitrogénvegyületek, főleg aminok gyártására használják őket. A nitro-metán (CH3NO2) és a nitro-etán (C2H5NO2) szerves oldószerek. A nitro-benzol (C6H5NO2) mérgező, sárgás, olajszerű, keserűmandula illatú folyadék. Az anilin és az azofestékek gyártására használják.

136

Szénhidrogén-származékok

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

Robbanó nitrovegyületek A TNT, 2,4,6-trinitro-toluol sárga kristályos anyag, amelyet robbanószerként használnak. Trotilnak is nevezik. A TNT-re számítják át más robbanószerek hatóerejét. Például az 1945. augusztus 6-án a japán Hirosima városára ledobott amerikai atombomba hatóereje 20 000 tonna TNT volt. A 2,4,6-trinitro-fenol sárga kristályos anyag, amely az ekrazit nevű robbanószer alapja. Toxikus és savas tulajdonságú. Triviális neve pikrinsav (a görög pikrosz = keserű nyomán).

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • A szénhidrogének nitrogénszármazékainak molekuláiban C–N kötés van. • Az aminok a szénhidrogéneknek az ammóniából levezetett nitrogén származékai, amikor is a hidrogénatomokat szénhidrogéngyökökkel helyettesítik. • Az aminok jellegzetesen bázikusak. Az alkil-aminok az ammóniánál erősebb bázisok. • A nitrovegyületek a szénhidrogének nitrogénszármazékai, poláris nitrocsoportot –NO2 tartalmaznak. A poláris szerves vegyületek közé tartoznak. • A nitrocsoportban mindkét oxigénatom egyenértékű. • A nitrovegyületek a vízben kevéssé oldódnak. Azok, amelyek molekuláiban több nitrocsoport is van, robbanékonyak. • A nitrovegyületek reaktívak. Redukciójukkal aminok állíthatók elő.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Írjátok le az alábbi vegyületek egyszerűsített szerkezeti képletét: a) etil-amin, b) 2-nitro-toluol, c) 2,4-nitro-toluol, d) 1,2-dinitro-bután, e) anilin, f) nitro-propán. 2. A szénhidrogének nitroszármazékaival kapcsolatos állítások közül melyik a helyes? a) A legkevésbé poláris szerves vegyületek közé tartoznak. b) A vízmolekulákkal hidrogénhidakat alkotnak. c) Az aromás nitrovegyületek redukciójával aromás aminok állíthatók elő. d) A nitrovegyületek nem reaktívak.

137

3. Az alábbi vegyületek közül melyek lehetnek robbanékonyak?

4. Osszátok fel az alábbi vegyületeket elsőrendű, másodrendű és harmadrendű aminokra. CH3NH2, CH3CH2NH2, (CH3)3N, CH3NHCH3, CH3CH2NHCH2CH2CH3, (CH3)2NCH2CH3. a) elsőrendűek b) másodrendűek c) harmadrendűek 5. Állapítsátok meg, hogy az amin elsőrendű, másodrendű vagy harmadrendű. Írjátok fel az aminok nevét.

6. Válasszátok ki a helyes állításokat. a) A dimetil-amin harmadrendű amin. b) Az anilin nem aromás amin. c) A metil-amin elsőrendű amin. d) A legkisebb relatív molekulatömegű aminok gázok. 7. Számítsátok ki a nitrogén tömegtörtjét: a) a nitro-benzolban, b) az anilinben. 8. Hány kilogramm TNT állítható elő 100 dm3 toluol nitrálásával ( = 0,87 g.cm–3)?

6.3 Szénhidrogének oxigénszármazékai Az oxigént tartalmazó szénhidrogének szerves vegyületek, amelyek molekuláiban a szénatom és az oxigénatom között kémiai kötés található. Az oxigénatom ezekben kétértékű. Az oxigénatom a szénatommal létrehozhat egyes kötést C–O vagy kettős kötést C=O. A legfontosabb oxigénszármazékok csoportjai a 6.1. ábrán láthatók.

6.3.1 Hidroxivegyületek A hidroxivegyületek a szénhidrogének oxigénszármazékai, amelyek egyértékű –OH funkciós csoportot tartalmaznak. Ezt hidroxil-csoportnak, illetve hidroxidcsoportnak nevezik. A hidroxivegyületek két típusát különböztetjük meg: 1. alkoholok, a hidroxil-csoport egy szénatomhoz kapcsolódik, amely a telített vagy telítetlen szénhidrogénlánc része.

138

Szénhidrogén-származékok

2. fenolok, a hidroxil-csoport közvetlenül az aromás rendszerre kötődik. A hidroxivegyületek szisztematikus nevét kétféleképpen képezik. A szubsztitúciós megnevezésnél a szénhidrogén nevéhez, amelyből levezetik egy -ol végződés kerül. A csoportos megnevezések az egyértékű szénhidrogéngyök nevéből és az -alkohol toldalékból áll. Számos hidroxivegyületnek (főleg a fenoloknak) triviális neve van. A lekötött hidroxidcsoportok számától függően megkülönböztetünk egyértékű és többértékű (kétértékű, háromértékű stb.) alkoholokat és fenolokat.

Ismerünk olyan többértékű alkoholt is, amelynek ugyanazon a szénatomján két vagy három hidroxidcsoport is található. Ezek azonban nem stabilisak és vízmolekula hasad le róluk oxovegyület (6.3.3. fejezet) vagy karbonsavak (6.3.4. fejezet) képződése közben. A szénatom típusa szerint, amelyhez a hidroxidcsoport kötődik, lehetnek: •elsőrendű (primer) alkoholok, a hidroxidcsoport egy primer szénatomhoz kötődik, •másodrendű (szekunder) alkoholok, a hidroxidcsoport egy szekunder szénatomhoz kötődik, •harmadrendű (tercier) alkoholok, a hidroxidcsoport egy tercier szénatomhoz kötődik.

Az alkoholok és a fenolok fizikai tulajdonságai A legkisebb szénatomszámú alkoholok (metanol, etanol, propanol) színtelen, illékony, kellemes illatú folyadékok, amelyek a vízzel minden arányban elegyednek. A magasabb rendű alkoholok színtelen, olaj-

139

szerű, kellemetlen szagú folyadékok. Oldékonyságuk a vízben a molekulákban található szénatomok számának növekedésével csökken. Az alkoholok jól oldódnak a szerves oldószerekben. A cseppfolyós alkoholok számos más anyag, pl. festékek, illóolajok stb. jó oldószerei. Az alkoholok oldékonysága a molekulában található –OH csoportok számától is függ, a többértékű alkoholok jobban oldódnak, mint az egyértékűek. Érdekes tény, hogy az alkoholoknak lényegesen magasabb a forráspontjuk, mint a nekik megfelelő szénhidrogének (pl. a metán, az etán, a propán normális körülmények között gázok, míg a metanol, az etanol és a propanol folyadékok). Ezt a jelenséget az alkoholmolekulák között keletkező hidrogénhidakkal magyarázhatjuk (6.4 ábra). A legalacsonyabb rendű alkoholok emellett a vízmolekulákkal is hidrogénhidakat hoznak létre, aminek köszönhető a rendkívül jó oldékonyságuk (6.5 ábra).

6.4 ábra Hidrogénhidak az alkoholmolekulák között. A hidrogénhidakat kék szaggatott vonallal jelöltük.

6.5 ábra Hidrogénhidak az alkohol és a víz molekulái között.

A fenolok többnyire szilárd, jellegzetes szagú anyagok. A vízben alig oldódnak, de jól oldódnak egyes éterekben (6.3.2. fejezet) és etanolban. Forráspontjuk az alkoholokhoz hasonlóan magasabb, mint a nekik megfelelő aromás szénhidrogéneké. Ennek oka a fenol molekulák között kialakuló hidrogénhidak. A tiszta fenolok színtelenek, a levegőn vörös vagy akár barna színűvé válnak.

Az alkoholok kémiai tulajdonságai Az alkoholok kémiai tulajdonságai mindenekelőtt az –OH funkciós csoportjuktól függenek. A hidroxidcsoportban levő oxigénatom és a hidrogénatom elektronegativitás-értékeinek különbségéből adódik, hogy a kovalens kötés ezek között az atomok között poláris jellegű. Poláris kötés van az oxigénatom és a hidroxidcsoporthoz kötődő szénatom között is. Valamennyi említett atomon így részleges töltések keletkeznek.

140

Szénhidrogén-származékok

Az alkoholok legfontosabb reakciói közé tartoznak a nukleofil szubsztitúciók. Ezek során a hidroxidcsoportot (amely víz formájában lehasad) egy másik nukleofil részecske (nukleofil reagens) helyettesíti. Ha ezekben a reakciókban a halogén anion a nukleofil reagens, szénhidrogén-halogenidek keletkeznek.

A halogén-alkánokhoz hasonlóan az alkoholok is képesek a nukleofil szubsztitúció mellett eliminációra. Dehidratáló reagensek (pl. koncentrált H2SO4 vagy Al2O3) hatására, magasabb hőmérsékleten az alkoholokból víz hasad le és alkének keletkeznek. Az eliminációt, amely során vízmolekula hasad le, dehidratációnak nevezik.

Oxidáló reagensek hatására az alkoholok oxidálhatók. Az oxidáció termékei az oxidált alkoholtól függenek. Az elsőrendű alkoholok oxidációjával első lépésben aldehidek (6.3.3. fejezet) keletkeznek, amelyeket azonban többnyire nem lehet izolálni, mert azonnal karbonsavakká oxidálódnak (6.3.4. fejezet).

A másodrendű alkoholok oxidációjával ketonok keletkeznek (6.3.3. fejezet).

A harmadrendű alkoholok nem oxidálódnak. Magasabb hőmérsékleten és az oxidálószer feleslegében az oxidáció molekulájuk felhasadásával együtt megy végbe.

A fenolok kémiai tulajdonságai A fenolok hidroxidcsoportja az aromás gyűrűhöz kapcsolódik, és emiatt az alkoholokkal összevetve tulajdonságai eltérőek. A hidroxidcsoport oxigénjének szabad elektronpárja növeli az aromás rendszer elektronsűrűségét. Egyúttal az oxigénatom szabad elektronpárjának interakciója meggátolja a hidroxidcsoport lehasadását a nukleofil szubsztitúció és az elimináció során. Ez a hatás szintén szerepet játszik abban, hogy a fenolok savasabbak az alkoholokkal összevetve.

141

. A fenolok az alkoholoktól eltérően nem vesznek részt nukleofil szubsztitúcióban sem eliminációban. A fenolok fő reakciója a benzolgyűrűn levő hidrogénatom elektrofil szubsztitúciója. A hidroxidcsoport ebben a reakcióban érintetlen marad.

Az elektrofil szubsztitúció példája lehet a fenol nitrálása, amely gyakran tovább halad a következő lépésig.

KÍSÉRLET A fenol kimutatása vas(III)-kloriddal 2 cm3 vizes fenol oldathoz (w = 0,01) cseppenként FeCl3 vizes oldatát adjuk (w = 0,05). Jellegzetes kékeslila szín keletkezik. A színes termék kémiai összetétele egyelőre pontosan nem ismert.

6.6 ábra A fenol reakciója a FeCl3 oldatával

KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

Az alkoholok és fenolok savas és bázikus tulajdonságai Az alkoholoknak amfoter jellegük van. Az O–H kötés polaritásából következik, hogy a hidrogénatomoknak gyengén savas jellegük van. A savasságukat összevethetjük a vízmolekulában levő hidrogénatomokéval. Az összes alkohol közül a metanolnak van a legsavasabb jellege, mert a legrövidebb alkillánca van. De még a metanol sem éri el a vízmolekula savasságának a szintjét. Minden alkohol tehát kevésbé savas, mint a víz, mivel az alkilcsoportok csökkentik a hidrogénatomok savasságát az –OH csoportban. Az alkilcsoport elektrondonor, csökkenti az O–H kötés polaritását és ezzel a hidrogén lehasadásának lehetőségét H+ formában. Másrészt a két szabad elektronpár jelenléte a hidroxidcsoport oxigénatomján az alkoholoknak mérsékelten bázikus jelleget kölcsönöz, mivel az egyikre közülük rákapcsolódhat a savból felszabadult proton. A vízmolekulával összevetve az alkoholok valamivel bázikusabbak. Az erős savakkal reagálva gyenge bázisokként viselkednek és oxónium (alkoxónium) sókat hoznak létre.

142

Szénhidrogén-származékok

Az erős bázisokkal reagálva viszont gyenge savakként viselkednek és alkoholsókat, alkoholátokat (alkoxidokat) hoznak létre.

A reakció egyensúlya azonban jelentősen eltolódik az alkohol, azaz a kiindulási anyag irányában. Más a helyzet a fenolok esetében. Miután –OH csoportjuk szabad elektronpárja bekapcsolódik az aromás rendszer konjugációjába, az O-H kötés polárisabb mint az alkoholoknál (a H+ kation készségesebben lehasad). Hasonló effektus járul hozzá a fenolát anion stabilizálódásához a H+ lehasadását követően. Ezért a fenolok savasabb jellegűek, mint az alkoholok és a hidroxidokkal reagálva stabilisabb fenolátokat (fenoxidokat) hoznak létre.

A jelentősebb alkoholok és fenolok áttekintése A metanol (metilalkohol) – CH3OH – színtelen folyadék, amely kiváló oldószer, folyékony fűtőanyagként és a formaldehid-gyártás kiindulási anyagaként alkalmazzák. Az ember számára a metanol rendkívül toxikus! Kis adagokban látászavarokat vagy akár vakságot, nagyobb adagokban halált okozhat. A szervezetbe a bőrön felszívódva is bejuthat. A metanol azért is nagyon veszélyes, mivel külalakjában és ízében csak nagyon nehezen lehet megkülönböztetni az etanoltól, amely valamennyi alkoholtartalmú ital alapja. Az etanol (etilalkohol) – CH3CH2OH – a legjelentősebb alkohol. Gyakran triviális nevét – szesz – használják vagy csak alkoholnak nevezik. Kiváló oldószer, fertőtlenítőszer, fontos élelmiszeripari (pl. az ecet, alkoholtartalmú italok gyártása) és vegyipari nyersanyag. Az alkohol előállításának legrégibb módja a szénhidrátokat tartalmazó természetes szubsztrátumok, pl. cukorrépa, cukornád, illetve különböző gyümölcsfajták erjesztése. Napjainkban szintetikusan – az etilén hidratálásával is gyártják.

6.7 ábra Etanol molekula modelljei

143

Az etanol az emberi szervezet számára mérgező és nagyobb mennyiségének elfogyasztása halálos is lehet! A hosszan tartó túlzott alkoholfogyasztás függőséget okoz (alkoholizmus), ami az egészségkárosodás mellett további negatív szociális következményekkel jár. Az etilén-glikol (etán-1,2-diol, glikol) – HOCH2CH2OH – a legegyszerűbb kétértékű alkohol. Ez olajszerű, édeskés ízű folyadék, amelyet a fagyálló keverékekben (pl. a motorok hűtőjében) és a műanyagok gyártásának nyersanyagaként alkalmazzák. Nagyon toxikus, ezért nem használható az élelmiszeriparban.

6.8 ábra Az etanolt bizonyos országokban (pl. Brazíliában) motorok üzemanyagaként is használják. Magas az oktánszáma és elégetése „tisztább”, mint a benziné.

A glicerin (propán-1,2,3-triol) háromértékű alkohol és sokban emlékeztet az etilén-glikolra, de nem mérgező. Főleg a kozmetikában, a műanyagok és a celofán gyártásában, a gyógyszeriparban bizonyos gyógyszerek előállítására és édeskés íze miatt az élelmiszeriparban is alkalmazzák. Salétromsavval reagáltatva víztiszta, édeskés ízű, olajszerű folyadékot készítenek belőle – ez a glicerin-trinitrát (gyakran használt helytelen nevén a nitroglicerin), amelyet régebben a dinamit gyártására használtak; ez volt az első iparilag alkalmazott robbanószer. A dinamitot egy svéd vegyész, mérnök és feltaláló Alfred Nobel állította elő. Ma a glicerin-trinitrátot más robbanóanyagok előállítására és szív-érrendszeri betegségek gyógyhatású anyagaként alkalmazzák.

6.9 ábra Alfred Nobel (1833–1896) 1867-ben feltalálta a dinamitot. Ő alapította meg a Nobel-díjat – amely napjainkban az emberi teljesítmény legtekintélyesebb elismerése a fizika, a kémia, a fiziológia és orvostudomány, az irodalom és a békéért folyatott küzdelem területén.

A fenol – C6H5OH – színtelen kristályos anyag, amely a levegőn először vöröses színt kap, majd megsötétedik. Toxikus és marja a bőrt. A vegyiparban széles körben alkalmazzák. Festékek, gyógyszerek, műanyagok (bakelit), peszticidek és robbanószerek (pl. pikrinsav) gyártására használják (6.2.2. fejezet). KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG

++

A fenolból készül az Acylpyrin is Az acetilszalicilsav fenolos szerkezetű, az egyik legjelentősebb anyag, amelyet a gyógyászatban a láz csillapítására (antipiretikum), a fájdalom csökkentésére (analgetikum) és a gyulladásgátlásra (antiflogisztikum) alkalmaznak. Csökkenti a véralvadást is (antikoaguláns). A legrégebben előállított szintetikus gyógyszer, amelyet mindmáig használnak számos gyógyszeripari készítményben különböző kereskedelmi és márkanevek alatt (Acylpyrin, Aszpirin, Anopyrin, Acylcoffin).

144

Szénhidrogén-származékok

Az acetilszalicilsavat fenolból állítják elő két lépésben. Az első lépésben elkészítik a szalicilsavat, a második lépésben ecetsav-anhidriddel (acetanhidriddel) hevítve acetilszalicilsavvá alakul át.

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • A hidroxivegyületek a szénhidrogének hidroxidcsoportot tartalmazó oxigénszármazékai. Alkoholokra és fenolokra osztjuk őket. • Megkülönböztetünk elsőrendű, másodrendű és harmadrendű alkoholokat aszerint, hogy a hidroxidcsoport milyen típusú szénatomhoz kapcsolódik. A fenolok –OH csoportja az aromás rendszerhez kötődik. • Az alacsony oxigénszámú alkoholok jól keverednek a vízzel. Kiváló oldószerei más anyagoknak. Molekuláik egymás között és a vízmolekulákkal hidrogénhidakat alkotnak. • Az alkoholok jellegzetes reakciói a nukleofil szubsztitúciók, illetve az eliminációk. • Az elsőrendű alkoholok oxidációjával aldehidek és karbonsavak keletkeznek. A másodrendű alkohol oxidációja ketonokhoz vezet. • A legjelentősebb alkohol az etanol. Széles körben alkalmazzák. Minden alkoholtartalmú ital része. Ezek túlzott fogyasztása alkoholizmushoz vezet.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Válasszátok ki a helyes állításokat. a) Az oxigénatom a szénhidrogének oxigénszármazékaiban kétértékű. b) A metanol, az etanol és a propanol a vízzel minden arányban elegyedő folyadékok. c) Azokat a vegyületeket, amelyekben a hidroxidcsoport az aromás gyűrűhöz kötődik, alkoholoknak nevezik. d) A fenolok nem aromás vegyületek. 2. A propán-1-ol miért folyadék, amikor a propán gáz? a) a propanol bázikusabb, b) a propanol reaktívabb, c) a propanol molekulái hidrogénhidakat alkotnak egymás között, d) a propanolnak nagyobb a relatív molekulatömege. 3. A 2,2-dimetil-bután-1-ol: a) elsőrendű alkohol, b) kétértékű alkohol, c) háromértékű alkohol, d) másodrendű alkohol, e) harmadrendű alkohol, f) egyértékű alkohol.

145

4. Osszátok fel az alkoholokat egyértékű, kétértékű és háromértékű alkoholokra. Írjátok le a szisztematikus nevüket.

5. Állapítsátok meg, hogy elsőrendű, másodrendű vagy harmadrendű alkoholról van-e szó:

6. Írjátok fel az összes alkohol szerkezeti képletét és szisztematikus nevét, amelyek összegképlete C4H10O. 7. Válasszátok ki a helyes állításokat a szénhidrogének hidroxid-származékairól. a) A szén–oxigénkötés poláris. b) Csak egyes kötéseket tartalmazhatnak. c) Az oxigénatom a hidroxidcsoportban kettős kötéssel kapcsolódik. d) Az elektronegativitás-értékek különbsége a hidroxidcsoport atomjai között nulla. 8. Az alkoholok jellegzetes reakciói: a) nukleofil szubsztitúciók, b) gyökös szubsztitúciók, c) elektrofil szubsztitúciók, d) eliminációk, e) megegyeznek a halogénszármazékok reakcióival, f) megegyeznek a nitrovegyületek reakcióival. 9. A fenolok jellegzetes reakciói: a) megegyeznek az alkoholok reakcióival, b) gyökös szubsztitúciók, c) oxidációk, d) elektrofil szubsztitúciók, e) eliminációk, f) redukciók. 10. A kémiai táblázatokban keressétek ki ezeknek a hidroxid-származékoknak a forráspontjait és hasonlítsátok össze a megfelelő szénhidrogénekével: metanol, etanol, propanol, fenol. 11. Írjátok fel az etanol előállításának kémiai egyenletét a megfelelő alkénből. Milyen típusú reakcióról van szó?

146

Szénhidrogén-származékok

6.3.2 Éterek Az éterek szerves vegyületek, molekuláikban egyértékű szénhidrogéngyökök kapcsolódnak egymáshoz egy oxigénatom révén, R-O-R. A szénhidrogéncsoportok azonosak vagy eltérőek lehetnek. Az étereket elméletileg a víz származékainak is tekinthetjük, amelynek két hidrogénatomját szénhidrogéncsoportok helyettesítik. Elméletileg az étereket az alkoholokból is levezethetjük, ha a hidroxidcsoportjukban a hidrogént szénhidrogéngyökkel helyettesítjük. Az egyértékű szénhidrogéncsoportok –R leggyakrabban telített vagy aromás jellegűek. Az éterek szubsztitúciós elnevezéseit az alkoxi- előtag segítségével képezik (pl. metoxi- CH3O-, etoxi- CH3CH2O-), amelyhez a megfelelő szénhidrogén nevét írják. Gyakrabban használják azonban azokat a neveket, amelyekben a két egyértékű szénhidrogéngyökök nevéhez az -éter szót illesztik (pl. etil(metil)-éter, dietil-éter stb.). Triviális elnevezések is használatosak.

Ismertek a gyűrűs éterek is:

Az éterek fizikai és kémiai tulajdonságai Az étereknek jellegzetes illatuk van, a legegyszerűbb közülük – a dimetil-éter normális körülmények között gáz, a többi folyadék. Jóval alacsonyabb a forráspontjuk, mint a nekik megfelelő alkoholoké, mégpedig azért, mert nem képesek hidrogénhidakat kialakítani. Nagyon illékonyak és robbanékonyak, mert a levegő oxigénjével, napsugárzás hatására explozív peroxidokat hoznak létre. Emiatt az étereket sötét helyen vagy színig töltött sötét üvegedényekben tárolják.

A jelentősebb éterek áttekintése A dietil-éter (etoxietán, amelyet csak éternek neveznek) – CH3CH2OCH2CH3 – színtelen illékony folyadék, amely kiváló oldószer és extraháló szer. A vízzel csak nagyon kis mértékben elegyedik. Narkotikus hatása van.

6.10 ábra A dietil-éter molekula modelljei

147

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • Az éterek szerves vegyületek, amelyek egyértékű szénhidrogéncsoportokat tartalmaznak, amelyek az oxigénatom közvetítésével kapcsolódnak össze, R-O-R. • Az éterek forráspontja alacsony. Molekuláik nem alkotnak egymás között hidrogénhidakat. • Nagyon illékonyak és robbanékonyak.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Írjátok fel az éterek neveit: a) CH3CH2OCH3, b) C6H5OCH2CH3, c) CH3CH2CH2OCH2CH3, d) CH3(CH2)3O(CH2)3CH3, e) C6H5OC6H5, f) (CH3)2O. 2. Válasszátok ki a helyes állításokat az éterekről. a) Molekuláikban két szénhidrogéngyököt tartalmaznak, amelyek az oxigénatom révén kapcsolódnak egymáshoz. b) A vízmolekulákkal hidrogénhidakat alkotnak. c) Magasabb a forráspontjuk, mint a nekik megfelelő alkoholok. d) Nem reaktív anyagok. 3. Milyen biztonsági szabályokat kell betartani a dietil-éter tárolásakor?

6.3.3 Oxovegyületek Az oxovegyületek a szénhidrogének oxigénszármazékai, amelyek kétértékű karbonil funkciós csoportot (C=O) tartalmaznak. Olykor oxocsoportnak nevezzük. Az oxovegyületek legjelentősebb csoportjai az aldehidek és a ketonok. (Formálisan a karbonsavak is idetartoznak, de ők a szerves vegyületek különálló csoportját alkotják – 6.3.4. fejezet.) Az aldehidek karbonilcsoportjához egyértékű szénhidrogéngyök (–R) és egy hidrogénatom kapcsolódik. (A formaldehid esetében az –R helyett is hidrogénatom áll.) Az aldehidek elnevezését a megfelelő szénhidrogén nevéhez illesztett -al végződés segítségével képezzük. Abban az esetben, amikor a –CHO csoport szénatomját nem számítjuk az aldehid főláncába (főleg a gyűrűs aldehideknél), az elnevezést a -karbaldehid végződés hozzátoldásával képezzük. Bizonyos aldehidek esetében gyakrabban használják a megfelelő karbonsavak latin nevéből levezetett triviális neveket (pl. formaldehid, acetaldehid).

A ketonok karbonilcsoportjához két egyértékű szénhidrogéngyök (–R) kapcsolódik, amelyek megegyezőek és eltérőek is lehetnek.

148

Szénhidrogén-származékok

A ketonok nevét vagy úgy képezzük, hogy a karbonilcsoporthoz kötődő mindkét egyértékű szénhidrogéngyök nevéhez vagy az -on végződést, vagy a keton kifejezést illesztjük.

Az aldehidek és a ketonok fizikai tulajdonságai A kis molekulatömegű aldehidek és ketonok folyadékok, a formaldehid kivételével, amely gáz. A nehezebb aldehidek és ketonok cseppfolyós vagy szilárd anyagok. A legalacsonyabb aldehidek a vízben jól oldódnak, a szénatomok számának növekedésével az oldhatóságuk csökken. A formaldehidnek és az acetaldehidnek átható szaga van, a magasabb aldehidek és számos keton gyakran kellemes illatával tűnik ki. Némelyek az illóolajok alkotórészei. Az aldehidek és a ketonok kémiai tulajdonságai Az aldehidek és a ketonok kémiai tulajdonságait mindenekelőtt a karbonilcsoport poláris jellege határozza meg. Az oxigénatomon magasabb elektronegativitás-értéke miatt részleges negatív töltés alakul ki. A szénatomon részleges pozitív töltés keletkezik.

A karbonilcsoport nagyon reaktív, ezért ott játszódik le az aldehidek és ketonok legtöbb reakciója. Az aldehidek általában reaktívabbak a ketonoknál. Az oxovegyületek jellegzetes reakciói a nukleofil addíciók, amelyek a Schiff-reagenssel végrehajtott kimutatásuk lényege is (lásd a következő kísérletet).

KÍSÉRLET Az aldehidek kimutatása Schiff-reagenssel Egy kémcsőbe 6 cm3 vizes formaldehid oldatot öntünk és hozzáadunk 2 cm3 Schiff-reagenst. Pirosas lila szín keletkezését figyelhetjük meg, amelyet a reagensből felszabaduló fukszin szerves pigment vált ki.

6.11 ábra A formaldehid reakciója Schiff-reagenssel

Az oxovegyületek fontos reakciói az oxidációjuk és a redukciójuk.

149

Az aldehidek oxidációjával karbonsavak keletkeznek (6.3.4. fejezet), míg a ketonok közönséges oxidálószerekkel nem reagálnak. Erős oxidálószerek hatására a keton molekulák felhasadnak és 2 molekula karbonsav keletkezik. Az aldehidek és a ketonok is redukálhatók. Az aldehidek redukciójával elsőrendű alkoholok, a ketonok redukciójával másodrendű alkoholok keletkeznek.

A jelentősebb aldehidek és ketonok áttekintése A formaldehid (metanal) – HCHO – a legegyszerűbb aldehid. Színtelen, csípős szagú gáz, vízben nagyon jól oldódik. 40 %-os vizes oldatát formalinnak nevezzük, fertőtlenítésre és biológiai anyagok hosszabb távú tárolására használják. Műanyagok gyártására használják. A formaldehid és az ammónia reakciója során hexametilén-tetramin (urotropin) keletkezik, amelyet például a kemping főzők fűtőanyagaként használnak (az ún. spirituszkocka). Az acetaldehid (etanal) – CH3CHO – illó, átható szagú anyag, amelyből ecetsavat, gyógyszereket, illatszereket stb. gyártanak. Az acetaldehid gyűrűs tetramerje – a metaldehid egy másik változata a spirituszkockának. A benzaldehid (C6H5CHO) a legfontosabb aromás aldehid. Előfordul pl. a keserű mandulában, valamint a sárgabarack és az őszibarack magjában. Illata a keserű mandulára emlékeztet, vízben rosszul oldódik. A levegőn gyorsan benzoesavra oxidálódik (6.3.4. fejezet). A formaldehid, az acetaldehid és a benzaldehid mérgező vegyületek. KÍSÉRLET A benzaldehid oxidációja benzoesavvá Óraüvegre cseppentsünk egy kevés benzaldehidet. Majd egy óra elteltével az üvegen a benzoesav apró fehér kristályait figyelhetjük meg.

150

Szénhidrogén-származékok

Aceton (propanon) – CH3COCH3 – a legegyszerűbb s egyben a legfontosabb keton. Illékony, nagyon gyúlékony anyag, amely korlátlanul elegyedik a vízzel. Az acetonnal dolgozva ügyelnünk kell arra, nehogy belélegezzük a gőzét, mert az egészségre ártalmas. Kiváló ipari oldószer (pl. a fedőfestékeké), használják továbbá a műanyaggyártásban és a gyógyszeriparban.

6.12 ábra Az acetaldehid molekula modelljei

6.13 ábra Az aceton molekula modelljei

A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • Az oxovegyületek a szénhidrogének karbonilcsoportot (C=O) tartalmazó oxigénszármazékai. Felosztják őket aldehidekre és ketonokra. • A karbonilcsoport poláris jellegű és nagyon reaktív. Az aldehidek reaktívabbak a ketonoknál. Az oxovegyületek jellegzetes reakciói a nukleofil addíciók. • Az aldehideket elsődleges alkoholokká lehet redukálni és karbonsavakká oxidálni. A ketonok másodlagos alkoholokká redukálhatók, de csak erős oxidálószerekkel oxidálhatók, miközben molekuláik felhasadnak.

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Írjátok fel a vegyületek szisztematikus nevét: a) CH3CH2CHO, b) C6H5CHO, c) CH3COCH2CH3, d) (C6H5)2CO. 2. Napíšte štruktúrne vzorce zlúčenín: a) pentanal, b) butil(etil)keton, c) ciklopropanon, d) hexan-3-on, e) propándial, f) ciklohexán-1,4-dikarbilaldehid. 3. A karbonilcsoportra érvényes: a) az oxigénatomnak részleges pozitív töltése van, b) az oxigénatomnak részleges negatív töltése van, c) ez a C=O csoport, d) oxocsoportnak is nevezik. 4. Válasszátok ki a helyes állításokat. a) Az acetaldehid a mandulában található. b) A formaldehid normális körülmények között folyékony anyag. c) A formalin a formaldehid 40 %-os vizes oldata. d) Az aceton kiváló oldószer. e) A ketonok reaktívabbak az aldehideknél. f) Az aceton dimetilketon.

151

5. Egészítsétek ki a kémiai reakció sémáiban a termékeket:

6. A ketonok közé tartozik: a) ciklohexanon, b) acetofenon, c) aceton, d) metanal. 7. A formaldehidre érvényes: a) normális körülmények között színtelen, szúrós szagú folyadék, b) ez a legegyszerűbb keton, c) a karbonilcsoportjához két hidrogénatom kapcsolódik, d) metánsavvá oxidálódik. 8. Milyen veszély fenyeget az aceton használatakor?

6.3.4 Karbonsavak A karbonsavak a szénhidrogének oxigénszármazékai, amelyek molekulájában egyértékű karboxil funkciós csoport (–COOH) található. Rövidítve karboxilnak is nevezik. A karboxilcsoportot elvileg a karbonilcsoport és a hidroxilcsoport összekapcsolásának tekinthetnénk, ezért a –COOH csoport elnevezése is e két csoport kombinációja: karboxil = karbonil + hidroxil. A karboxilcsoport az egyes atomok eltérő elektronegativitás-értékei miatt poláris csoport. A karbonilcsoporthoz hasonlóan részleges töltések vannak rajta.

A karbonsavak elnevezését általában az alapszénhidrogén nevéből a -sav (esetleg -karbonsav) kifejezés hozzáadásával képezzük. Mivel a karbonsavak a természetben igen elterjedtek és egyúttal az ismert szerves vegyületek közé tartoznak, gyakran triviális nevükön is szerepelnek. A karboxilcsoport különböző típusú szénhidrogéngyökökhöz kapcsolódhat. A molekulában található karboxilcsoportok száma alapján megkülönböztetünk egybázisú (egyértékű, monokarbonsav), kétbázisú (kétértékű, dikarbonsavak), hárombázisú (háromértékű, trikarbonsavak) stb. karbonsavakat.

152

Szénhidrogén-származékok

Az egybázisú vagy egyértékű nagyobb szénatomszámú karbonsavakat zsírsavaknak is nevezik, mert fontos alkotórészei a zsíroknak és a lipideknek. A karbonsavak fizikai tulajdonságai A legalacsonyabb nyíltláncú monokarbonsavak jellegzetes, átható szagú folyadékok. Különösen kellemetlen szaga van a butánsavnak (vajsavnak). A dikarbonsavak és az aromás karbonsavak szilárd kristályos anyagok. A karbonsavak oldhatósága főleg a szénhidrogénláncuk jellegétől függ. Minél hosszabb, annál kevésbé oldódnak a vízben. Csak a kis relatív molekulatömegű karbonsavak oldódnak nagyon jól. A karbonsavaknak, összevetve a nekik megfelelő szénhidrogénekkel magasabb a forráspontjuk, mert az alkoholokhoz hasonlóan molekuláik egymás között hidrogénhidakat alkotnak. Ezért dimerek formájában is előfordulnak.

A karbonsavak kémiai tulajdonságai A karbonsavak nagyon reaktív vegyületek, amelyek tulajdonságai főleg karboxilcsoportjuk jellegéből adódnak. A karboxilcsoport jellegzetes vonása a savas jelleg, mert könnyen lehasad róla a hidrogén kation H+. A karboxilcsoport savas jellege a hidroxilcsoport és a karbonilcsoport összekapcsolódásából következik. Ezért a –COOH csoport disszociál a vizes oldatában, karboxilát-anion képződése közben.

153

A karboxilát-anion konstitúciója két szélső szerkezettel fejezhető ki.

A nitrocsoporthoz hasonlóan (6.2.2. fejezet) egyik feltüntetett képlet sem fejezi ki pontosan a valóságot. Ebben az esetben is a két oxigénatom és a szénatom közötti kötés egyenértékű, egyforma távolságú és a negatív töltés az oxigénatomokon egyenletesen oszlik meg. Ezért a karboxilát-anion valódi szerkezetét általában így fejezzük ki:

A legtöbb karbonsav a gyenge savak közé tartozik. Erősebbek, mint a szénsav, de jóval gyengébbek a szervetlen savaknál – sósav, kénsav, salétromsav stb. A legerősebb monokarbonsav a hangyasav. A többértékű savak erősebbek az egyértékűeknél. Mivel a karbonsavak vizes oldatai savas tulajdonságúak, bázisokkal közömbösíthetők. Eközben a karbonsavak sói keletkeznek, például:

Olvadáspontjuk fölé hevítve egyes karbonsavakból a karboxilcsoport szén-dioxid formájában lehasad. Ez a folyamat a dekarboxiláció.

A karbonsavak egyik legjelentősebb reakciótípusa az észteresítés. Ez savas katalízissel végbemenő reakció karbonsav és alkohol között. Ennek során karbonsav-észterek keletkeznek.

Az észterek folyékony, esetleg szilárd anyagok, amelyek a karbonsavakkal ellentétben nem alkothatnak hidrogénhidakat. Számos éter rendkívül kellemes, gyümölcsökre emlékeztető illatú. Különösen jelentősek a magasabb szénatomszámú karbonsavak (zsírsavak) és a glicerin háromértékű alkohol észterei, amelyek a zsírokban és az olajokban találhatók.

154

Szénhidrogén-származékok

A karbonsavak dehidratációjával (a víz lehasításával) anhidridek keletkeznek, amelyek a szerves kémiában gyakran alkalmazott reagensek (ún. acilező reagensek). Pl. az ecetsavból ecetsavanhidrid (acetanhidrid) állítható elő.

A karbonsavak a szénhidrogének oxidációjának végtermékei. A következő sémán szemléltettük a lehetséges oxidációs reakciókat:

Például az etán oxidációjával akár ecetsav is előállítható:

A jelentősebb karbonsavak áttekintése A karbonsavak a szerves vegyületek igen nagy és változatos csoportja. A következő összefoglalásban csak néhány jelentős mono- és dikarbonsavval (egy és két karboxil funkciós csoporttal rendelkező sav) foglalkozunk. A hangyasav (metánsav) – HCOOH – a legegyszerűbb karbonsav, amely a természetben pl. a hangyákban (innen a köznapi elnevezés is) és néhány növényben (pl. csalán) fordul elő. Ez színtelen, maró, szúrós szagú folyadék. A többi karbonsavtól eltérően redukciós képességei vannak, mert az aldehid tulajdonságaival is rendelkezik (aldehidcsoportja van). A textil- és a bőriparban alkalmazzák, de az élelmiszerek konzerválására is, mert baktericid tulajdonságai vannak.

6.14 ábra A hangyasav különböző rovarfajok (hangyák, darazsak, szúnyogok stb.) egyik méreganyaga.

6.15 ábra Az ecetsav molekula modelljei

155

KÍSÉRLET A hangyasav redukciós tulajdonságainak kimutatása 2 cm3 Tollens-reagenst (AgNO3 ammóniás oldata) tartalmazó kémcsőbe 0,3 cm3 hangyasavat öntünk. A kémcsövet kb. 40 °C hőmérsékletű vízfürdőben melegítjük, amíg a falán nem alakul ki az ún. ezüsttükör (a redukált ezüst). A hangyasav közben szén-dioxiddá oxidálódik. Az ecetsav (etánsav – CH3COOH) szúrós szagú és maró hatású, víztiszta folyadék. Naponta találkozhatunk vele ecet formájában, amely az ecetsav 8 %-os vizes oldata. Az ecetsavat leggyakrabban az acetaldehid (esetleg kis szénatomszámú szénhidrogének) oxidációjával vagy híg alkoholos oldatok erjesztésével állítják elő.

Az ecetsavat az élelmiszeriparban (konzerváló tulajdonságai vannak és jellegzetesen savanyú ízt kölcsönöz az élelmiszereknek), a műanyaggyártásban, bizonyos gyógyszerek előállításánál (pl. aszpirin) stb. használják. A vajsav (butánsav – CH3CH2CH2COOH) kellemetlen szagú olajszerű folyadék. Észterek formájában a vajban található, ahonnan a vaj öregedése során felszabadul. A palmitinsav (hexadekánsav – CH3(CH2)14COOH) és a sztearinsav (oktadekánsav) CH3(CH2)18COOH a zsírokban és az olajokban található észterek alkotórészei. Ezeknek az észtereknek az alkalikus hidrolízisével (szappanosításával) keletkeznek a szappanok, amelyek kémiai szempontból ezeknek a karbonsavaknak a sói. Az olajokban az olajsav (oktadec-9-énsav – CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH) is gyakran előfordul, amely a telítetlen zsírsavak képviselője. Az oxálsav (etándisav, sóskasav – HOOC-COOH) a legegyszerűbb kétbázisú karbonsav (dikarbonsav), amely sói formájában a növényekben is előfordul. Mérgező. A benzoesav (C6H5COO) a legegyszerűbb aromás karbonsav. Fehér kristályos anyag, amely konzerválószerként használatos az élelmiszeriparban, továbbá számos szerves szintézis kiindulási anyaga a vegyiparban. A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA • A karbonsavak a szénhidrogének poláris karboxilcsoportot (–COOH) tartalmazó oxigénszármazékai. • A legkisebb szénatomszámú karbonsavak vízben oldhatók. A szénatomok számának növekedésével oldhatóságuk csökken. • A karbonsavak nagyon reaktív vegyületek, amelyek savas tulajdonságokkal rendelkeznek. A legtöbb karbonsav a gyenge savak közé tartozik. Bázisokkal reagálva a karbonsavak sói keletkeznek. • A karbonsavak egyik fontos reakciója az észterezés – az alkoholokkal reagálva karbonsav-észterek keletkeznek. • A karbonsavak a szénhidrogének oxidációjának végtermékei. • A legjelentősebb karbonsavak egyik az ecetsav, amelyet széles körben alkalmaznak az iparban. 8 %-os oldatát ecetnek nevezik.

156

Szénhidrogén-származékok

KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Írjátok fel a karbonsavak racionális képleteit. a) metánsav, b) butánsav, c) hexándisav d) benzoesav e) propénsav f) triklórecetsav 2. Írjátok fel a karbonsavak nevét:

3. Rendezzétek sorba a következő karbonsavakat csökkenő vízoldékonyságuk alapján: a) ecetsav, b) palmitinsav, c) oktánsav, d) vajsav. 4. Válasszátok ki a helyes állításokat a karbonsavakról. a) Többségük erősebb, mint a szervetlen savak. b) Savas tulajdonságaik vannak. c) Molekuláik egymás között hidrogénhidakat alkotnak. d) Valamennyi normális körülmények között folyadék. e) Molekuláikban egy vagy több –COOH csoport található. f) Valamennyi jól oldódik a vízben. 5. Az ecetsav és a metanol savas közegben végbemenő reakciója során keletkezik: a) formaldehid, b) hangyasavas etilészter, c) ecetsavas metilészter d) az etánsav metilésztere, e) acetaldehid, f) metanal. 6. Írjátok fel az ecetsav előállításának kémiai reakciólépéseit a megfelelő alkoholból. 7. A sztearinsav nem oldódik a vízben, de ha a NaOH vizes oldatát adjuk hozzá, feloldódik. Magyarázzátok meg, miért. 8. Magyarázzátok meg, miért vannak redukciós tulajdonságai a hangyasavnak? 9. Magyarázzátok meg, mik a szappanok.

157

7 Laboratóriumi gyakorlatok 1. LABORATÓRIUMI GYAKORLAT A szén-dioxid előállítása és tulajdonságai A változat Kísérleti feladat Készítsetek szén-dioxidot és győződjetek meg a fizikai és a kémiai tulajdonságairól Eszközök: választó (csapos) tölcsér, frakcionáló (desztilláló) lombik vagy szívókémcső, gumidugó furattal, Bunsen-állvány, gumicsövek, szűrőkarika, üvegcsövek, szorítók, főzőpoharak, kémcsövek, spatula, gyufa. Vegyszerek: nátrium-hidrogén-karbonát (s), ecetsavoldat (w = 0,2), kalcium-hidroxid oldat (w = 0,1), lakmusz alkoholos oldata, fenolftalein alkoholos oldata (w = 0,01), desztillált víz. Végrehajtás: a) Állítsátok össze a gázfejlesztő készüléket a 7.1. ábrán látható séma alapján. A választó tölcsérből fokozatosan ecetsavoldatot hozzáadva a nátrium-hidrogén-karbonáthoz szén-dioxid képződik. A keletkező szén-dioxidot elvezető csövet merítsétek a főzőpohárba, amelyben kalcium-hidroxid oldat (mészvíz) van, amelybe néhány csepp fenolftalein oldatot adtatok. A szén-dioxidot addig hagyjátok átáramolni a kalcium-hidroxid oldaton, amíg színváltozást nem észleltek. A színváltozást követően a főzőpohár alján fehér, alig oldódó anyag válik ki, amely azonban a további szén-dioxid hatására oldódni kezd. Ha már több szén-dioxid nem képződik, adjatok hozzá újabb kiindulási anyagokat. b) A megfigyelt színváltozás után merítsétek az állandóan fejlődő szén-dioxidot elvezető üvegcsövet desztillált vízzel töltött főzőpohárba, amelyben néhány csepp lakmuszoldat is van. c) A keletkező szén-dioxidot az elvezető cső segítségével vezessétek egy üvegkádba, amelynek aljához két eltérő hosszúságú gyertya van rögzítve. Az elvezető csövet szorosan a kád aljához helyezzétek. Beengedve a kádba a szén-dioxidot gyújtsátok meg a gyertyákat és egy idő után figyeljétek meg, melyik gyertya alszik el korábban.

7.1 ábra Szén-dioxid előállítása (NaHCO3 és CH3COOH reakciójával) és reakciói

1. 2. 3. 4.

Feladatok: Írjátok fel a nátrium-hidrogén-karbonát és az ecetsav reakcióegyenletét. Jellemezzétek a megfigyelt folyamatokat a szén-dioxid bevezetése után a fenolftalein indikátort tartalmazó kalcium-hidroxid oldatba. Magyarázzátok meg a kalcium-hidroxid oldat színváltozását. Írjátok fel a szén-dioxid és a kalcium-hidroxid reakcióegyenletét. Írjátok fel a folyamat nevét. Írjátok fel a főzőpohár alján lerakódott kevéssé oldódó fehér anyag nevét.

158

Laboratóriumi gyakorlatok

5. Indokoljátok meg, hogy a folyamatosan bevezetett szén-dioxid hatására miért kezd feloldódni a leülepedett fehér anyag, mígnem az oldat kitisztul a főzőpohárban? 6. Jellemezzétek a megfigyelt folyamatokat a lakmuszt tartalmazó vízben, ahová a szén-dioxidot vezettük. Indokoljátok meg az indikátor színváltozását. Írjátok fel a reakció kémiai egyenletét. 7. Írjátok fel, melyik gyertya aludt ki elsőként és állításotokat indokoljátok meg. B változat Kísérleti feladat Kísérleti úton állapítsátok meg a szén-dioxid moláris tömegét Eszközök: választó (csapos) tölcsér, frakcionáló (desztilláló) lombik vagy szívókémcső, gumidugó furattal, gumicsövek, üvegcsövek, szűrőkarika, Bunsen-állvány, gázhenger csiszolt dugóval, mérőhenger, főzőpoharak, kémcsövek, spatula, óraüveg, táramérleg. Vegyszerek: kalcium-karbonát (s), sósavoldat (w = 0,2), desztillált víz. Végrehajtás: A 7.2. ábrán látható séma alapján állítsátok össze a gázfejlesztő készüléket. A frakcionáló lombikba vagy a szívókémcsőbe szórjatok nagyon pontosan lemért 0,5 g porított kalcium-karbonátot. A választó tölcsért félig töltsétek meg sósavoldattal és fokozatosan adagoljátok a kalcium-karbonáthoz. A keletkező szén-dioxidot fogjátok fel a gázhengerben a víz fölött a vízzel töltött kádban (a pontosabb mérési eredmény érdekében szórjatok nátrium-kloridot a vízbe). A gázhengert a kísérletezés előtt kalibráljátok, mert meg kell állapítanotok a felfogott szén-dioxid térfogatát. A szén-dioxid térfogatát azonban a gázfejlesztést követően is megállapíthatjátok, mégpedig úgy, hogy a csiszolt üvegdugóval lezárjátok a víz alatt a gázhengert, amelyben a szén-dioxid és némi víz maradt. A gázhengert vegyétek ki és mérjétek meg mérőhengerrel a benne maradt víz térfogatát Ezután megméritek a gázhenger térfogatát, a vízzel teli gázhengerben levő víz térfogata alapján. A henger térfogatának és a szén-dioxid felfogását követően a gázhengerben maradt víz térfogatának a különbségéből határozzátok meg a felfogott szén-dioxid térfogatát, amely megfelel a gázhengerből kiszorított víz térfogatának.

7.2 ábra A szén-dioxid előállítása CaCO3 és HCl reakciójával

1. 2. 3. 4.

Feladatok: Írjátok fel a kalcium-karbonát és a sósavoldat reakcióegyenletét. Magyarázzátok meg, miért előnyös az üvegkádban levő vízbe nátrium-kloridot szórni. A kísérletben felfogott és lemért szén-dioxid térfogata alapján számítsátok ki a szén-dioxid moláris tömegének kísérletileg megállapított értékét. A számításhoz szükséges belépési adatok: m(CaCO3) = ….. g (az általatok lemért tömeg), M(CaCO3) = =100 g.mol–1, (CO2) = 0,002 g.cm–3, az általatok kísérletileg megállapított V(CO2) = … cm3, Vm = 24,4 dm3 normális laboratóriumi körülmények között (t = 20 °C, p = 100 kPa).

159

2. LABORATÓRIUMI GYAKORLAT A kalcium-karbonát hőbomlása és a bomlástermékek reakciói Kísérleti feladat Hevítéssel bontsátok el a kalcium-karbonátot és kísérletileg mutassátok ki a keletkezett termékeket Eszközök: táramérleg, óraüveg, spatula, tűzálló porcelántégely, vas háromláb, agyagháromszög, főzőpoharak, üvegbot, kémcsövek, meghajlított üvegcső vagy szalmaszál. Vegyszerek: kalcium-karbonát (s), desztillált víz, fenolftalein alkoholos oldata (w = 0,01) Végrehajtás: A tűzálló porcelántégelybe szórjatok 3 g lemért kalcium-karbonátot. A tégelyt helyezzétek az agyagháromszögbe és hevítsétek (izzítsátok) 15–20 percig. A kihűlt izzított anyagot szórjátok a tégelyből a főzőpohárba, öntsetek hozzá desztillált vizet és üvegbottal kevergessétek meg a keveréket. A keveréket sima szűrőn szűrjétek át. Két kémcsőbe öntsetek 5-5 cm3 szűrletet. Az első kémcsőbe cseppentsetek egy kevés fenolftalein oldatot, a másik kémcsőbe fújjatok a tüdőtökből levegőt. A kémcső tartalma megzavarosodik, mígnem a kémcső alján kevéssé oldódó fehér anyag válik ki. Hosszabb idő után a tüdőből befújt levegő hatására a fehér csapadék feloldódik, az oldat kitisztul. Feladatok: 1. Írjátok fel kalcium-karbonát hőbomlásának a reakcióegyenletét. 2. Írjátok fel annak az anyagnak a képletét, amely az izzítás után a tégelyben maradt. Írjátok fel a triviális nevét is. 3. Magyarázzátok meg fenolftaleint tartalmazó víz színváltozását a tégelyben levő anyag hozzáadása után. Írjátok fel ennek az anyagnak és a víznek a reakcióegyenletét és a lejátszódott folyamat nevét. 4. Írjátok fel a tüdőből kilélegzett levegő és a 3. pontban a reakció során keletkezett anyag közötti reakció kémiai egyenletét. 5. A keletkezett fehér anyag feloldódásának folyamatát a kémcsőben írjátok fel kémiai egyenlettel. 3. LABORATÓRIUMI GYAKORLAT A jód előállítása és tulajdonságai A változat Kísérleti feladat A jód oldhatóságának kísérleti megállapítása különböző oldószerekben Eszközök: kémcsövek, főzőpoharak, spatula, pipetta, gázégő, gyufa. Vegyszerek: jód (s), kálium-jodid (s), benzin, etanol, keményítő oldat (w = 0,02), desztillált víz. Végrehajtás: Készítsetek ki 4 kémcsövet. Mindegyikbe szórjatok 3-5 jódkristályt. Próbáljátok meg betartani, hogy minden kémcsőben nagyjából ugyanannyi jód legyen. A kémcsövekbe fokozatosan öntsetek egyenlő mennyiségű oldószert a következő sorrendben: 1. desztillált víz, 2. desztillált víz, 3. benzin, 4. etanol. Figyeljétek meg, hogy történik-e változás. A második kémcsőbe a vízben levő jódhoz szórjatok néhány kálium-jodid kristályt. Ezután minden kémcsőbe öntsetek azonos mennyiségű keményítő oldatot és figyeljétek meg a kék szín keletkezését és intenzitását. Az egyes kémcsöveket mérsékelten melegítsétek és figyeljétek meg, bekövetkezett-e színváltozás a melegítés után. Feladatok: 1. A megfigyelés és az egyes kémcsövekben keletkezett szín intenzitása alapján írjátok fel az adatokat egy táblázatba.

160

Laboratóriumi gyakorlatok

Oldószer

A szín intenzitása

Oldhatóság

A szín intenzitása a melegítés után

Oldhatóság a melegítés után

1. desztillált víz 2. desztillált víz + KI 3. etanol 4. benzin 2. Megfigyeltétek a jód oldhatóságának változását a második kémcsőben a kálium-jodid kristályok hozzáadása után? Ha igen, akkor írjátok fel, milyen volt ez a változás. 3. Ismerve a jódmolekulában levő kötés típusát fogalmazzátok meg az általános következtetést arról, milyen oldószerekben oldódik a jód, milyenekben nem. B változat Kísérleti feladat Készítsetek jódot jodidok oxidálásával és kísérletileg mutassátok ki a jelenlétét Eszközök: kémcsövek, főzőpoharak, pipetták, dugók. Vegyszerek: kálium-jodid oldata (w = 0,1), kálium-permanganát oldata (c = 0,02 mol.dm–3), hidrogén-peroxid oldata (w = 0,1), kénsav oldata (1:1), klóros víz, keményítő oldata (w = 0,02), kloroform, desztillált víz. Végrehajtás: Készítsetek ki 3 kémcsövet. Mindegyikbe öntsetek 5-5 cm3 kálium-jodid oldatot. Az első kémcsőbe ezután öntsetek 3 cm3 kálium-permanganát oldatot és a második kémcsőbe a kálium-jodid oldatához öntsetek 3 cm3 hidrogén-peroxid oldatot. Az első és a második kémcsőben levő oldatokhoz savanyítás céljából cseppentsetek egy kevés kénsav oldatot. A harmadik kémcsőbe a kálium-jodid oldatához adjatok 5 cm3 klóros vizet, amelyet a tanár készített el. A kémcsövekben jód keletkezik, amelyet keményítő oldat hozzáadásával vagy a kloroformba való kirázással (extrahálással) mutatunk ki. Kirázáskor a kémcsövet dugaszoljuk be. Feladatok: 1. Írjátok le a jód keletkezésének kémiai egyenletét az egyes kémcsövekben. 2. Jellemezzétek a megfigyelt folyamatokat. A megfigyelés alapján hasonlítsátok össze az egyes kémiai reakciók lefolyását. 4. LABORATÓRIUMI GYAKORLAT A vas vegyületei Kísérleti feladat A vas kémiai reakcióival állítsátok elő a vegyületeit Eszközök: kémcsövek, főzőpoharak, pipetták, dugók, vasháromláb, Bunsen-állvány, azbesztes drótháló, gázégő, gyufa. Vegyszerek: vasdrót, sósavoldat (1:1), nátrium-hidroxid oldata (w = 0,05), hidrogén-peroxid oldata (w = 0,1), kénsavoldat (w = 0,15). Végrehajtás: A kb. 1-2 g tömegű vasdrótot spirális alakban tekerjétek fel és tegyétek egy főzőpohárba, amelyben 10 cm3 sósavoldat van. Mintegy 10 perc elteltével figyeljétek meg a változásokat, majd a főzőpoharat kb. 5 percig melegítsétek vízfürdőben (pl. egy vízzel töltött nagyobb főzőpohárban). A főzőpohárban mérsékelten lehűlt oldatban nedvesítsetek meg egy univerzális indikátorpapírt és állapítsátok meg az oldat kémhatását (pH-ját). A lehűlt oldatot a főzőpohárban osszátok el két kémcsőbe. 1. kémcső Az első kémcsőbe öntsetek nátrium-hidroxid oldatot és figyeljétek meg a csapadék keletkezését, amely a kémcső felrázásával feloldódik, ezért ismét öntsetek hozzá hidroxidot. Állapítsátok meg, hogy a nátrium-

161

-hidroxid oldatának hozzáöntése után emelkedett-e a keverék hőmérséklete a kémcsőben. Kis idő elteltével megfigyelhetitek, hogy a kivált csapadék mindenekelőtt a kémcső falán a levegő oxigénjének hatására megváltoztatja a színét. A keletkezett csapadékhoz öntsetek hidrogén-peroxid oldatot, keverjétek el és figyeljétek meg. Ezután tegyetek hozzá fölöslegben kénsavoldatot és a kémcsövet vízfürdőben melegítsétek (állítsátok a kémcsövet forró vízzel töltött főzőpohárba). Figyeljétek meg, hogy a csapadék feloldódik-e. 2. kémcső Az oldathoz a második kémcsőben öntsetek 0,5 cm3 hidrogén-peroxid oldatot és a kémcső tartalmát keverjétek össze. Ezután cseppentsetek a kémcsőbe egy kevés nátrium-hidroxid oldatot, amíg csapadék nem keletkezik. Állapítsátok meg, hogy a nátrium-hidroxid oldatának hozzáadása után emelkedett-e a keverék hőmérséklete a kémcsőben. Hasonlítsátok össze a keletkezett csapadék színét és küllemét azzal a csapadékkal, amely az első kémcsőben keletkezett a nátrium-hidroxid oldat hozzáadásával. A keletkezett csapadékhoz, hasonlóan, mint az első kémcsőben öntsetek savoldatot, de ebben az esetben sósavoldatot. Fölöslegben adjatok savoldatot és vízfürdőben melegítsétek a kémcsövet (állítsátok a kémcsövet forró vízzel töltött főzőpohárba). Figyeljétek meg, hogy a csapadék feloldódik-e. 1. 2. 3. 4.

Feladatok: Írjátok fel a vas (séma – A anyag) és a sósavoldat (séma – 1. reakció) reakcióegyenletét. Írjátok fel a B anyag képletét, amely a vas és a sósavoldat reakciójával keletkezett. Magyarázzátok meg azokat a változásokat, amelyeket a vasdrót sósavoldatba merítésekor és a keverék azt követő felmelegítésekor megfigyeltetek. Indokoljátok meg az oldat megállapított pH-értékét a főzőpohárban.

1. kémcső (az elágazás bal oldala a sémában) 1. Írjátok fel annak az anyagnak a képletét, amely akkor keletkezett, amikor az első kémcsőbe nátrium-hidroxid oldatot öntöttetek (séma – C anyag). Írjátok fel a keletkezett csapadék színét. 2. Írjátok fel a B anyag és a nátrium-hidroxid oldat reakcióegyenletét (séma – 2. reakció). 3. Indokoljátok meg, miért változott meg a keverék hőmérséklete az első kémcsőben, miután nátrium-hidroxid oldatot adtatok hozzá. 4. Írjátok le a keletkezett csapadék színváltozását (séma – C anyag) az 1. kémcső falán, amelyre a levegő oxigénjének hatására került sor. 5. Írjátok fel annak az anyagnak a képletét (séma – D anyag), amely a C anyagból keletkezett a levegő oxigénjének hatására. Írjátok fel a C anyagnak a levegő oxigénjével D anyaggá történt oxidációját kifejező reakcióegyenletet (séma – 3a). 6. Írjátok fel azokat a változásokat, amelyek a hidrogén-peroxid oldatnak a C csapadékhoz történt hozzáadása után lejátszódtak. Írjátok fel a C anyag és a hidrogén-peroxid oldat reakcióegyenletét (séma – 3b reakció). 7. Írjátok fel annak az anyagnak a nevét és képletét (séma – E anyag), amely a D anyag és a kénsavoldat reakciója során keletkezett. 8. Írjátok fel, feloldódott-e a D csapadék a kénsavoldat hozzáadása után. 9. Írjátok fel a D anyag és a kénsavoldat reakciójának kémiai egyenletét (séma – 4. reakció). 2. kémcső (az elágazás jobb oldala a sémában) 1. Írjátok fel annak az anyagnak a nevét és képletét, amely a hidrogén-peroxid oldat hozzáöntése után keletkezett a második kémcsőben (séma – F anyag). 2 Írjátok fel a B anyag és a hidrogén-peroxid oldat reakcióegyenletét (séma – 5. reakció). 3. Írjátok fel annak az anyagnak a nevét és a képletét, amely a nátrium-hidroxidnak az F anyaghoz történt hozzáadása után keletkezett. 4. Hasonlítsátok össze az első kémcsőben keletkezett csapadék küllemével (D anyag). 5. Írjátok fel az F anyag és a nátrium-hidroxid reakciójának kémiai egyenletét (séma – 6. reakció). 6. Írjátok fel, vajon feloldódott-e a D csapadék a sósavoldat hozzáöntése után (séma – 7. reakció).

162

Laboratóriumi gyakorlatok

7.3 ábra A kémiai anyagok és a kémiai reakciók sémája a 4. LGY-hoz

5. LABORATÓRIUMI GYAKORLAT Az elemek kimutatása a szerves vegyületekben A változat Kísérleti feladat Mutassátok ki a szén és a hidrogén jelenlétét a szerves vegyületekben A szén és a hidrogén kimutatásának elve a szerves vegyületekben az, hogy a szerves anyagot (pl. szacharózt) réz(II)-oxiddal hevítjük, miközben szén-dioxid és víz keletkezik. A réz(II)-oxid a reakció során réz(I)-oxiddá vagy rézzé redukálódik (ez függ a reakció lefolyásától és a reakcióba lépő anyagok arányától). A szén jelenlétét úgy mutatjuk ki, hogy a keletkező szén-dioxidot kalcium-hidroxid oldatába (mészvízbe) vezetjük, amelyben a kalcium-karbonát fehér csapadéka válik ki. A hidrogén jelenlétét víztelenített réz(II)-szulfáttal mutatjuk ki, amely nedves közegben kék CuSO4 · 5H2O kristály hidráttá alakul. A kémcső tartalma ugyancsak színt változtat, az eredetileg fekete réz(II)-oxid vörösesbarna rézzé változik. Eszközök: kémcsövek, spatula, meghajlított üvegcső, gumidugó furattal, Bunsen-állvány, gázégő, gyufa. Vegyszerek: szacharóz, réz(II)-oxid (s), víztelenített réz(II)-szulfát (s), mészvíz. Végrehajtás: Készítsetek elő két kémcsövet. Az egyikbe szórjatok 1:2 arányban szacharózt és porított réz(II)-oxidot. A kémcsőben levő keveréket még réz(II)-oxiddal rétegeljétek és a kémcsövet vízszintesen fogjátok be az állványon (7.4 ábra). A kémcső nyílásához tegyetek egy kevés víztelenített réz(II)-szulfátot (ezt a 3. fejezetben leírt módon, a CuSO4 · 5H2O izzításával nyerjük). A kémcsövet lezárjuk egy dugóval, amelyen egy hajlított üvegcső halad át és belóg egy másik kémcsőbe, amelyben mészvíz van (a cső vége csak érinti az oldat felszínét). A kémcsövet a keverékkel hevítsétek és a megfigyelt változásokból vonjátok le a szén és a hidrogén jelenlétével kapcsolatos következtetéseket a vizsgált anyagmintában.

7.4 ábra A szén és a hidrogén kimutatása a szerves vegyületekben

163

Feladatok: 1. Hogyan készítünk mészvizet? 2. Magyarázzátok el a víztelenített réz(II)-szulfát szerepét a szerves anyag elemzésénél. B változat Kísérleti feladat Mutassátok ki a nitrogén és a halogének jelenlétét néhány szerves vegyületben A nitrogén bizonyos szerves vegyületekben (pl. a karbamidban) egyszerűen hevítéssel kimutatható, mert közben ammónia szabadul fel. A halogének jelenlétét bizonyos szerves vegyületekben ún. Beilstein-próbával (teszttel) mutatjuk ki. Ez lángpróba, amely során a rézdrótra helyezett vizsgált réz(II)-halogeniddé alakul át, amely illékony és a gázégő lángját kékeszöldre festi. Eszközök: kémcsövek, kémcsőfogó, spatula, meghajlított üvegcsövek, furatos gumidugók, Bunsenállvány, agyagháromszög, piros lakmuszpapír, rézdrót, gázégő, gyufa. Vegyszerek: karbamid (s), fenolftalein alkoholos oldata (w = 0,01), sósav (w = 0,30), 1,4-diklór-benzol, PVC (polivinil-klorid) vagy más halogénszármazék. Végrehajtás: a) A nitrogén kimutatása. Száraz kémcsőbe szórjatok kevés karbamidot és mérsékelten melegítsétek a gázégő lángja felett. A felszabaduló ammóniát több módon mutathatjuk ki: • szaglással (ne szagoljunk bele közvetlenül a kémcsőbe, hanem kezünkkel tereljük a gázt az orrunk elé), • fenolftalein oldattal (a távozó ammóniát csővel a kémcsőben levő vízbe vezetjük, amelybe előzőleg néhány csepp fenolftalein oldatot adtunk), • lakmuszpapírral – a kémcső nyílásánál vízzel átitatott piros lakmuszpapírt tartunk. b) A halogének kimutatása. A rézdrótot fogjátok be a kémcsőfogóba vagy erősítsétek az üvegbothoz és a végén alakítsatok ki egy hurkot. Ezután tisztítsátok meg a drótot a láng oxidációs részében izzítva úgy, hogy ne fesse meg a lángot. Ügyeljetek arra, nehogy a drót átolvadjon. A drót kihűlése után merítsétek a vizsgált anyagmintába (ha az anyag folyékony) vagy vegyetek ki néhány kristályt (amennyiben szilárd anyagról van szó) és ismét helyezzétek a gázégő lángjába. Figyeljétek meg a láng színét. Feladatok: 1. Magyarázzátok meg a fenolftaleines oldat színváltozását a kémcsőben az ammónia bevezetése után. 2. Indokoljátok meg a piros lakmuszpapír színváltozását ammónia jelenlétében. 3. Magyarázzátok meg a Beilstein-próba lényegét. A rézdrót helyett használhatnánk platinadrótot? 6. LABORATÓRIUMI GYAKORLAT Telített és telítetlen szénhidrogének A változat Kísérleti feladat Készítsetek metánt és győződjetek meg a fizikai és kémiai tulajdonságairól A metánt és más anyagokat a karbonsavak víztelenített alkáli sóiból nátronmész (nátrium-hidroxid és kalcium-oxid keveréke) jelenlétében dekarboxilációval lehet előállítani. Az alkánok előállításának általános reakciósémája:

164

Laboratóriumi gyakorlatok

Mivel az előállított alkánok molekuláiban mindig 1 szénatommal kevesebb van, mint a kiindulási karbonsav sóban, a metán előállítására pl. nátrium-acetátot is használhatunk. Eszközök: kémcsövek (a keverék hevítésére alkalmasabb egy nagyobb, nehezen olvadó kémcső), behajlított üvegcső, gumidugók furattal, üvegkád, bepárlócsésze, vastálka, üvegbot, gázégő, gyufa, szűrő(fém)karika, Bunsen-állvány, táramérleg, spatula. Vegyszerek: vízmentes nátrium-acetát (kristályos hidrátjából állíthatjátok el az a módszerrel), nátronmész (nátrium-hidroxid és kalcium-oxid 3:1 arányban), mészvíz, Baeyer-reagens, brómos víz. A reagensek készítése A Baeyer-reagens készítéséhez 1 g Na2CO3-t feloldunk 10 cm3 KMnO4 oldatban (w = 0,01). Végrehajtás: a) Vízmentes nátrium-acetát előállítása. A bepárlócsészén üvegbottal folyamatosan kevergetve hevítsetek kb. 10 kristályos nátrium-acetátot. Az acetát először feloldódik a kristályvízben és annak elpárolgása után szilárd halmazállapotban marad vissza. 300 °C fölött megolvad. Kihűlés után a vízmentes nátrium-acetátot dörzscsészében dörzsöljétek szét és vegyetek el belőle 5 grammot a kísérlet további részéhez. A vízmentes nátrium-acetát maradékát szórjátok egy tároló üvegbe. b) A metán előállítása. Egy nehezen olvadó kémcsőbe szórjatok jól szétdörzsölt vízmentes nátrium-acetátot és nátronmeszet 5 g : 3 g arányban. Az elkészített keveréket ütögetve osszátok szét az egész kémcsőben, amelyet majdnem vízszintes helyzetben befogtatok. A nyílását furatos dugóval zárjátok el, amelyben egy meghajlított elvezető cső van; ennek a túlsó végét egy másik, nyílásával lefelé fordított és vízzel töltött üvegkádba helyezett kémcsőbe vezessétek (7.5 ábra). Ha a nehezen olvadó kémcső helyett közönséges üvegből készült kémcsövet használtok, helyezzetek alá vastálkát (a kémcső elpattanásának kockázata). A reakciókeveréket először mérsékelten melegítsétek, miközben a gázégő lángját mozgassátok a kémcső egész hosszában. Majd hevítsétek erősebben, hogy folyamatosan áramoljon a gáz. A gázt fokozatosan fogjátok fel 4 előkészített kémcsőbe. A kémcsöveket, miután megteltek gázzal, még a víz alatt dugaszoljátok be, majd helyezzétek el őket kémcsőállványban és hagyjatok a további kísérletekre is. A keverék hevítésének befejeztével azonnal húzzátok ki a dugót a csővel.

7.5 ábra Metán előállítása

c) A metán reakciói. A felfogott gázt tartalmazó első és második kémcsövet vigyétek a gázégő meggyújtott lángjához, vegyétek ki a dugót a kémcsövből és próbáljátok meggyújtani a nyílásánál a benne levő gázt. A gáz elégését követően öntsetek a kémcsőbe 3 cm3 frissen elkészített mészvizet vagy baritvizet és a kémcső tartalmát rázzátok össze. Figyeljétek meg és indokoljátok az eredményt. A harmadik kémcsőbe gyorsan öntsetek 3 cm3 Baeyer-reagenst. A kémcsövet ismét dugaszoljátok be, rázzátok össze és figyeljétek az eredményt. A negyedik kémcsőbe gyorsan öntsetek 3 cm3 brómos vizet. A kémcsövet ismét dugaszoljátok be, rázzátok össze és figyeljétek az eredményt.

165

Feladatok: 1. Magyarázzátok meg, miért fogják fel a metánt a víz színe fölött. 2. Írjátok le a metán égésének kémiai egyenletét. Melyik reakcióterméket mutatjuk ki mészvízzel vagy baritvízzel? Magyarázzátok meg az okát. 3. Indokoljátok meg a harmadik és a negyedik kémcsőben lejátszódott reakciók eredményeit. B változat Kísérleti feladat Készítsetek etilént és győződjetek meg a fizikai és a kémiai tulajdonságairól Az etilént az etanol koncentrált kénsavval elvégzett dehidratációjával vagy alumínium-oxid felhasználásával katalitikus dehidratációval állítják elő.

Eszközök: kémcsövek, meghajlított üvegcső, gumidugók, dugó furattal, üvegkád, üvegbot, üvegvatta, gázégő, gyufa, szűrő(fém)karika, Bunsen-állvány, mérleg, spatula. Vegyszerek: etanol, alumínium-oxid (por), mészvíz vagy baritvíz, Baeyer-reagens, brómos víz. Végrehajtás: a) Etilén előállítása. A kémcsőbe tegyetek mintegy 3 cm magasságig alumínium-oxidból és etanolból készült kásás keveréket és erre még szórjatok azonos térfogatú száraz alumínium-oxid port. A kémcsőbe lazán helyezzetek be egy kis tekercs üvegvattát, majd egy átfúrt gumidugóval, amelyben az elvezető üvegcső is van, zárjátok le. A kémcsövet vízszintesen fogjátok be a Bunsen-állványba, és ott ahol a száraz alumínium-oxid réteg van, mérsékelten melegítsétek (7.6 ábra). A keletkező gázt fogjátok fel a vízzár fölött az előkészített 4 kémcsőbe. A gázzal megtöltött kémcsöveket még a víz alatt dugaszoljátok be és helyezzétek el őket a kémcsőállványban és hagyjatok a további kísérletekhez is.

7.6 ábra Az etilén előállítása

b) Az etilén reakciói. A felfogott gázzal töltött első és második kémcsövet vigyétek a meggyújtott gázégőhöz, vegyétek ki a dugót és próbáljátok meggyújtani a gázt a kémcső nyílásánál. Hasonlóan, mint a metán esetében mutassátok ki az égés gáznemű termékét mészvízzel vagy baritvízzel. A harmadik kémcsőbe gyorsan öntsetek 3 cm3 Baeyer-reagenst. A kémcsövet ismét zárjátok le, rázzátok össze és figyeljétek az eredményt. A negyedik kémcsőbe gyorsan öntsetek 3 cm3 brómos vizet. A kémcsövet ismét dugaszoljátok be, rázzátok össze és figyeljétek az eredményt. Feladatok: 1. Írjátok fel az etilén égésének kémiai egyenletét. 2. Indokoljátok meg a reakció eredményét a harmadik és a negyedik kémcsőben és hasonlítsátok össze a metán reakcióival. 3. Számítsátok ki, mekkora térfogatú szén-dioxid szabadult fel az etilén égésekor, ha 1,8 g víz keletkezett.

166

Laboratóriumi gyakorlatok

7. LABORATÓRIUMI GYAKORLAT A szénhidrogének halogénszármazékai Kísérleti feladat Készítsetek jodoformot (jodoform próba) A jodoform próbát azoknak a szerves vegyületeknek a kimutatására használják, amelyek molekulái metilcsoporthoz kapcsolódó karbonilcsoportot tartalmaznak.

A reakció során jodoform (trijód-metán) keletkezik, amely sárga kristályokat alkot. Egyúttal a reakcióba lépő anyagok (egy szénatommal rövidebb) karbonsavakká oxidálódnak, ill. ezek nátriumsói keletkeznek (a reakció az NaOH bázikus közegében játszódik le). Pl. az aceton esetében nátrium-acetát keletkezik

Pozitív reakciót adhatnak olyan vegyületek is, amelyek eredetileg nem tartalmaztak metil csoportot, mert a jóddal reagálva olyan vegyületekké oxidálódnak, amelyek viszont már tartalmazzák ezt a csoportot, pl. az etanol, amely etanalra (acetaldehidre) oxidálódik:

Eszközök: kémcsövek, kémcsőállvány, pipetta. Vegyszerek: etanol, aceton, acetaldehid, nátrium-hidroxid (w = 0,1), Lugol-oldat. A kémszer (reagens) elkészítése: A Lugol-oldatot úgy készítjük, hogy feloldunk 10 g kálium-jodidot 85 cm3 desztillált vízben. Az így elkészített oldatban feloldunk 5 jódot. Végrehajtás: Az egyes kémcsövekbe öntsetek 1-1 cm3-t a vizsgált szerves anyagból (etanol, aceton, acetaldehid stb.) és mindegyikbe öntsetek még 1 cm3 nátrium-hidroxid oldatot. Az elkészített elegyeket hígítsátok 5 cm3 desztillált vízzel. A kémcsövekbe pipettával lassan csepegtessetek Lugol-oldatot, amíg elszíneződik bennük. A kémcsöveket helyezzétek kb. 60 °C hőmérsékletű vízfürdőbe, figyeljétek és kis idő múlva értékeljétek ki a színváltozásokat. Feladatok: 1. Döntsétek el, hogy a következő vegyületek közül melyek adnak pozitív jodoform próbát: metanol, propan-1-ol, butan-1-ol, butan-2-ol, formaldehid, etanal, propanal. 2. Használhatjuk a jodoform-próbát a metanol és az etanol megkülönböztetésére? 3. Írjátok fel az etanol jodoform-próbájának kémiai egyenletét. 4. Írjátok fel az etil(metil)keton szerkezeti képletét és jelöljétek ki benne azt a részt, amely felelős a pozitív jodoform-próbáért.

167

8. LABORATÓRIUMI GYAKORLAT Alkoholok és fenolok Kísérleti feladat Kísérleti úton mutassátok ki az alkoholok és a fenolok savas tulajdonságait Az alkoholok és a fenolok –OH funkciós csoportot tartalmaznak. A csoport hidrogénatomjának savas jellege van, ezért az alkoholok, de főképp a fenolok reagálnak a bázikus jellegű anyagokkal. Ezeknek a reakcióknak a lefolyása az alkalmazott reagenstől függ, de a funkciós csoport tulajdonságaitól is. Eszközök: kémcsövek, üvegcsövek, gumidugó, gumidugó furattal, üvegkád, bepárlócsésze, főzőpohár, üvegbot, pipetta, elektromos főző, Bunsen-állvány, védőpajzs, gumikesztyű, gázégő, gyufa, szűrő(fém)karika. Vegyszerek: nátrium, etanol, nátrium-hidroxid oldat (w = 0,001), sósavoldat (w = 0,12), fenolftalein alkoholos oldata (w = 0,01), fenol (s). Végrehajtás: a) Az alkoholok savas tulajdonságai. Az előkészített kémcsőbe, amelyben 3 cm3 etanol van a tanár kis darab megtisztított fémnátriumot dob (legfeljebb 0,1 g). A kémcsövet lezárja egy furatos dugóval, amelyen egy meghajlított üvegcső vezet át egy másik kémcsőbe; ebbe fogjátok fel a keletkező gázt a víz színe fölött (7.7 ábra). A reakció befejeztével a gázfogó kémcsövet még a víz alatt dugaszoljátok be egy gumidugóval és helyezzétek a gázégőhöz. Nyissátok ki a kémcsövet és gyújtsátok meg a gázt a nyílásánál. Magyarázzátok el a gáz égésének lefolyását. Közben milyen termékek keletkeznek? Az etanol és a fémnátrium reakciójával nyert oldatot nagyon óvatosan öntsétek a bepárlócsészébe és pároljátok be szárazra a vízfürdőben (többnyire vízzel töltött főzőpoharat melegítünk ehhez). A bepárlási maradékot óvatosan oldjátok fel 2 cm3 desztillált vízben és adjatok hozzá néhány csepp fenolftalein oldatot. Magyarázzátok meg a színváltozást. b) A fenolok savas tulajdonságai. Kémcsőbe tegyetek 3 g fenolt és csepegtetve fokozatosan 3 cm3 desztillált vizet adjatok hozzá. A kémcső tartalmát óvatosan rázzátok össze. Eközben emulzió keletkezik, amelyhez cseppenként adjatok nátrium-hidroxid oldatot és figyeljétek meg az oldat teljes kitisztulását. Magyarázzátok meg a megfigyelt jelenségeket. A keletkezett tiszta oldatot osszátok szét két további kémcsőbe. Az egyikbe a tüdőtökből egy üvegcsövön át fújjatok levegőt. A másik kémcsőbe adjatok 5 csepp sósavoldatot. Figyeljétek a változásokat mindkét kémcsőben és magyarázzátok meg

7.7 ábra Az alkoholok savas tulajdonságai

Feladatok: 1. Írjátok fel az etanol és a fémnátrium reakcióegyenletét és a keletkezett terméket nevezzétek meg. 2. Írjátok fel a fenol és a nátrium-hidroxid reakciójának kémiai egyenletét és nevezzétek meg a keletkezett terméket.

168

Laboratóriumi gyakorlatok

9. LABORATÓRIUMI GYAKORLAT Aldehidek és ketonok A változat Kísérleti feladat Készítsetek acetaldehidet és kísérlettel mutassátok ki a jelenlétét Kevés acetaldehidet előállíthatunk a kémcsőben pl. az etanol réz(II)-oxiddal végzett oxidációjával, amely a rézdrót felületén keletkezik, amikor azt a gázégő lángjába helyezzük. Az aldehidcsoport kimutatására laboratóriumban a Tollens-, a Fehling- vagy a Schiff-reagenst használjuk. Eszközök: kémcsövek, gumidugó a kémcsőbe, rézhuzalspirál, főzőpohár, pipetták, Bunsen-állvány, szűrő(fém)karika, gázégő, gyufa. Vegyszerek: etanol, Tollens-reagens, Fehling-oldat I és II, Schiff-reagens. Reagensek (kémszerek) előállítása: A Tollens-reagenst közvetlenül a felhasználása előtt készítjük el (nem állhat hosszú ideig). Azonos térfogatú ezüst-nitrát oldatot (w = 0,1) és nátrium-hidroxid oldatot (w = 0,1) összeöntünk. A keletkező ezüst-oxid csapadékhoz ammónia koncentrált vizes oldatát öntjük addig a pillanatig, amíg a csapadék fel nem oldódik. Ezüst-nitrid keletkezik, ún. Berthollet-féle durranó ezüst, amely kiszáradás után spontán módon robbangat. A Fehling-reagens a Fehling I és a Fehling II oldat 1:1 arányú keveréke. A Fehling I készítéséhez 35 g rézgálicot feloldunk 500 cm3 desztillált vízben. A Fehling II oldathoz 175 g kálium-nátrium-tartarátot és 50 g nátrium-hidroxidot feloldunk 500 cm3 desztillált vízben. A Schiff-reagenst úgy készítjük, hogy 5 g fukszin szerves festéket feloldunk 900 cm3 forró desztillált vízben. Az oldatot 50 °C-ra hűtjük és hozzáadunk 10 cm3 sósavoldatot (c = 1 mol.dm–3). Ezután az oldatot 25 °C-ra hűtjük és hozzáadunk 10 g kálium (vagy nátrium)-tioszulfátot, és ezt követően az oldatot 3 percig rázogatjuk. Az oldatot 24 órán át sötétben hagyjuk. Ekkor 5 g aktív szenet adunk hozzá és átszűrjük. A reagenst 4 °C-on tároljuk és az edényt egy fóliával letakarjuk. Végrehajtás: A kémcsőbe mérjetek be 6 cm3 etanolt. A rézspirált kémcsőfogóval vagy egy üvegbotra tekerve helyezzétek a gázégő lángjába és felizzva merítsétek az etanolt tartalmazó kémcsőbe. Ezt a műveletet ismételjétek meg néhányszor. (Ha az etanol gőzei meggyulladnak, a spirált húzzátok ki és a kémcsövet gyorsan dugaszoljátok be.) A kémcső tartalmát ezután osszátok el három további kémcsőbe és az acetaldehid jelenlétét mutassátok ki a Tollens-reagenssel, a Fehling-reagenssel és a Schiff-reagenssel is. A kimutatást szaglással is kövessétek. a) Reakció a Tollens-reagenssel. Az oldathoz a kémcsőben adjatok azonos térfogatú Tollens-reagenst és a kémcsövet vízfürdőben melegítsétek (többnyire vízzel töltött főzőpoharat melegítünk). Figyeljétek a reakció lefolyását. b) Reakció a Fehling-reagenssel. Az oldathoz a kémcsőben öntsetek egyforma részben Fehling I és Fehling II oldatot. A kémcsövet vízfürdőben melegítsétek és figyeljétek a reakció eredményét. c) Reakció a Schiff-reagenssel. Az oldathoz a kémcsőben öntsetek kétszeres mennyiségű Schiff-reagenst és egy ideig hagyjátok állni. Figyeljétek a reakció eredményét. Feladatok: 1. Írjátok fel az etanol acetaldehiddé történő oxidációjának a kémiai egyenletét. 2. Milyen termék keletkezik, ha tovább oxidáljuk az acetaldehidet? B változat Kísérleti feladat Kísérleti úton győződjetek meg az aceton tulajdonságairól Eszközök: kémcsövek, óraüveg, főzőpohár, pipetták, Bunsen-állvány, szűrő(fém)karika, gázégő, gyufa, rézdrót.

169

Vegyszerek: aceton, Tollens-reagens, Fehling oldat I, II, Schiff-reagens, Lugol-oldat, nátrium-hidroxid (w = 0,1). Végrehajtás: Végezzétek el az aceton következő reakcióit: a) Óraüvegre cseppentsetek egy kevés acetont és gyújtsátok meg. b) Végezzétek el az aceton és a Tollens-reagens, a Fehling-reagens és a Schiff-reagens reakcióját, amelyet az aldehidcsoport kimutatásánál használtatok és az eredményeket vessétek össze. c) Az acetonnal végezzétek el a jodoform-próbát (7. laboratóriumi gyakorlat). A keletkezett jodoform sárga kristályait szűrjétek át, majd amikor megszáradtak a szűrőpapíron használjatok lángpróbát a halogén (jód) kimutatására a szerves molekulában (5. laboratóriumi gyakorlat). Feladatok: 1. Írjátok fel az aceton jodoform-próbájának reakcióegyenletét. 2. Milyen termék keletkezik az acetaldehid további oxidálásakor?

10. LABORATÓRIUMI GYAKORLAT Karbonsavak A változat Kísérleti feladat Készítsetek oxálsavat a szacharóz oxidálásával Laboratóriumban oxálsavat például a szacharóznak salétromsavval végrehajtott oxidációjával állíthatunk elő a következő séma szerint

Eszközök: főzőlombik (500 cm3), bepárlócsésze, spatula, szűrőpapír, hűtőfogó szorítódióval, Büchner-tölcsér, szívópalack (250 cm3), azbesztes drótháló, vaskarika, Bunsen-állvány, gázégő, gyufa. Vegyszerek: szacharóz (s), koncentrált salétromsav. Végrehajtás: Az oxálsav előállítását vegyi (elszívó) fülkében vagy egy jól szellőztethető helyen végezzük! Főzőlombikba tegyetek 3 g szacharózt és öntsetek hozzá 10 cm3 salétromsavat. A keveréket a lombikban hevítsétek, mígnem erőteljesen füstölni kezd a keletkező vörösesbarna nitrogén-oxidtól. Amikor a barna füst fejlődése gyengülni kezd, a reakció befejeződött. Az oldatot a lombikból öntsétek át a bepárlócsészébe és vízfürdőn (nagyobb főzőpohár vízzel, amit melegítetek) párologtassátok el az eredeti térfogat felét. Ezután az oldatot öntsétek a főzőlombikba és jeges vízben hűtsétek le. A kivált kristályokat csökkentett nyomáson végrehajtott szűréssel válasszátok el és mossátok át őket 10 cm3 desztillált vízzel. A kristályokat szárítsátok meg szűrőpapírral és mérjétek meg a tömegüket. Feladatok: 1. Melyik nitrogén-oxid keletkezik a reakciókeverék hevítésekor? 2. Hány gramm oxálsav állítható elő elméletileg 3 g szacharózból? Becslési számítás. 3. Hány kg oxálsav állítható elő 100 kg szacharózból 8 %-os veszteséggel számolva? B változat Kísérleti feladat Kísérleti úton határozzátok meg az oxálsav mennyiségét a növénymintában Az oxálsav (sóskasav) a természetben szabadon vagy sók formájában található, pl. a sóskában és rebarbarában. A növénymintákban az oxálsavat meghatározhatjuk pl. titrálással, amelyet kálium-per-

170

Laboratóriumi gyakorlatok

manganát mérőoldattal végzünk savas közegben (ez csak tájékoztató jellegű mérés, mert a hipermangán más anyagokkal is hasonlóan reagálhat). Ez a reakció a térfogatmérésen alapuló egyik analitikai – manganometriának nevezett – módszer alapja.

Eszközök: dörzscsésze törővel, titráló (álló) lombik, büretta (25 cm3), spatula, szűrőpapír, szűrőkarika, szűrőtölcsér, Bunsen-állvány, büretta-fogó. Vegyszerek: növényminta (pl. sóska, rebarbara), kvarchomok, mangán(II)-szulfát (s), kálium-permanganát mérőoldat (c = 0,2 mol.dm–3). Végrehajtás: 2 g növénymintát finoman dörzsöljetek szét a dörzscsészében azonos mennyiségű kvarchomokkal. A keverékhez öntsetek 50 cm3 desztillált vizet és lúgozzátok ki. A kivonatot szűrjétek át a titráló lombikba és öntsetek hozzá 15 cm3 kénsavat és 0,1 g mangán(II)-szulfátot. A keveréket előkészített bürettába töltött kálium-permanganát mérőoldattal titráljátok mindaddig, amíg a titrált oldat a kálium-permanganát egy cseppjétől tartósan rózsaszínűvé nem válik. A kivonat elkészítését és a fent leírt titrálását még kétszer ismételjétek meg (esetleg dolgozzatok párhuzamosan több csoportban). A mérőoldat így megállapított átlagfogyásából számítsátok ki (grammokban) az oxálsav tömegét a vizsgált mintában. Feladatok: 1. Írjátok fel az oxálsav és a kálium-permanganát redoxi reakciójának részfolyamatait.

11. LABORATÓRIUMI GYAKORLAT Karbonsavszármazékok Kísérleti feladat Észterek előállítása – észterezés Az észterek a karbonsavak származékai, amelyek a karbonsavak (vagy sóik) és az alkoholok reakciójával keletkeznek. Például az ecetsav és az etanol reakciójával az ecetsav etilétere keletkezik.

Némely észterek jellegzetes illatuknak köszönhetően illatanyagként (esszenciaként) használatosak az élelmiszeriparban (pl. rum-, körte-, cseresznye-esszencia). Eszközök: kémcsövek, főzőpoharak, hőmérő, gázégő, Bunsen-állvány, szűrőkarika, gyufa. Vegyszerek: ecetsav oldata (1:1), benzoesav (s), propánsav, nátrium-acetát (s), nátrium-formiát (s), etanol, pentan-1-ol, butan-1-ol, kénsavoldat (w= 0,92). Végrehajtás: Készítsetek elő 5 kémcsövet a következő vegyszerekkel: 1. kémcső: 2 cm3 etanol, 2 g nátrium-acetát és 1 cm3 kénsavoldat, 2. kémcső: 2 cm3 etanol, 2 g benzoesav és 1 cm3 kénsavoldat, 3. kémcső: 2 cm3 pentan-1-ol, 2 cm3 ecetsav és 1 cm3 kénsavoldat, 4. kémcső: 2 cm3 etanol, 2 g nátrium-formiát és 1 cm3 kénsavoldat, 5. kémcső: 2 cm3 butan-1-ol, 2 cm3 propánsav és 1 cm3 kénsavoldat. Valamennyi kémcsövet állítsátok 10 percre 80 °C hőmérsékletű vízfürdőbe. Közben készítsetek elő 5 kis főzőpoharat 20 cm3 hideg vízzel, amelyekbe majd külön-külön beleöntitek az egyes kémcsövekben levő keverékeket. Hasonlítsátok össze valamennyi előállított észter illatát.

171

Feladatok: 1. Nevezzétek meg az egyes kémcsövekben előállított észtereket és írjátok fel az összes végrehajtott reakció kémiai egyenletét. 2. Mi a szerepe a reakciókeverékbe öntött kénsavnak az észterezésnél? 3. Miért kell a reakciókeveréket 80 °C-ra melegíteni és a termékeket a főzőpohárban levő vízbe önteni? B változat Kísérleti feladat Ftálsavanhidrid előállítása A ftálsavanhidrid a ftálsav dehidratációjával állítható elő:

Eszközök: bepárlócsésze, spatula, óraüveg, szűrőpapír, azbesztdrótháló, vaskarika, Bunsen-állvány, gázégő, gyufa. Vegyszerek: ftálsav (s). Végrehajtás: A bepárlócsészében melegítsetek 3 g ftálsavat (7.8 ábra). Amikor fehéren füstölni kezd, a csészét fedjétek le szűrőpapírral, amelyen előtte kis lyukakat készítettetek, valamint óraüveggel, amelyet kívülről egy megnedvesített szűrőpapír hűt. A melegítést 3 perc elteltével fejezzétek be és vegyétek szemügyre az előállított terméket (ftálsavanhidridet).

7.8 ábra Ftálsavanhidrid előállítása

Feladatok: 1. A ftálsavanhidrid szerkezeti képletén jelöljétek meg, mely atomok vagy atomcsoportok hasadnak le vízmolekula formájában. 2. Hogyan nevezik fenti reakció ellenkező irányban végbemenő folyamatát? Egészítsétek ki a mondatot: A ftálsavat a ftálsavanhidridnek nevezett anhidridjének …………………… állítják elő. 3. Információforrásaitokban keressétek meg, mire használják ipari méretekben a ftálsavanhidridet.

172

Helyes válaszok

8 Helyes válaszok 1.1 és 1.2 HIDROGÉN, VÍZ 1. a, b. 2. Lefelé az oszlopokban: triviális név: prócium, deutérium, trícium. p+: 1, 1, 1. n: 0, 1, 2. e–: 1, 1, 1. 3. b, d. 4. 14,5-ször 5. Léghajókat hidrogénnel töltötték, amely gyúlékony. Elég volt egy szikra és a hidrogén, amely robbanó- és gyúlékony elegyet alkot a levegővel, felrobbant. 6. a) H+: 1s0, H–: 1s2. b) H+: 1p+, 0e–, H–: 1p+, 2e–. 7. A hidrogén-kloridban poláris molekulák vannak. 9. CaSO4 + Na2CO3  Na2SO4 + CaCO3. 10. CaCO3 + + 2CH3COOH  (CH3COO)2Ca +H2O + CO2. 1.3 és 1.4 s1 és s2-ELEMEK 1. b. 2. K, Li, Na, Rb, Cs. 3. a, d. 4. a. 5. a, b, c. 6. a) vezeti, b) kristályszóda, c) erős, d) szappanok. 7. a) 1, b) 4, c) 3, d) 5, e) 2. 8. a, b. 9. c. 10. d. 11. a, b. 12. Sr2+ ionokat tartalmazó oldatok karbonátok vagy szulfátok oldataival történő kicsapatásával. SrCO3, SrSO4 fehér csapadéka keletkezik. 13. a) CaO + H2O  Ca(OH)2, b) Ca(OH)2 + CO2  CaCO3 + H2O. 14. NaHCO3 + HCl  NaCl + CO2 + H2O. Túl sok szén-dioxid képződik, amely arra készteti a gyomor nyálkahártyáját, hogy további sósavat termeljen, ami növeli a gyomor savasságát és elősegíti a fekélyek kialakulását. 15. 51,16 %. 2 p-ELEMEK 2.1 ALUMÍNIUM 1. b. 2. c. 3. a. 4. Al2O3. 5. 52,92 %. 6. A5, B1, C2, D3, E4. 7. Al2(SO4)3 + 6NaOH  2Al(OH)3 + 3Na2SO4. 8. Például híg sósavoldattal. 9. 3,77 g. 10. Piros rubin, kék zafír. 2.2 SZÉN 1. a) grafit, b) fullerének, c) gyémánt. 2. a, b, d. 3. b, d. 4. a, d. 5. b, c, d. 6. A3, B4, C5, D2, E1. 7. NaHCO3 + HCl  NaCl + CO2 + H2O. 9. Argon, nitrogén, szén-dioxid. 2.3 SZILÍCIUM 1. c. 2. Üveg. 3. a, c, d. 4. a, c. 5. c. 2.4 NITROGÉN 1. a) NH4Cl, b) (NH4)2SO4, c) NH4NO3, d) (NH4)2CO3. 2. a, c, d. 3. A réz nemesfém. 4. Hármas. 5. b. 6. c, d. 7. a, d. 8. Cu + 4HNO3  Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O. 9. Szakaszos lepárlással. 10. (NH4)2Cr2O7  Cr2O3 +N2 + + 4H2O. 11. 1,10  1,1,8,4. 12. a) Közös jegyek: mindkét reakcióban nemfémes elemek vesznek részt, a kiindulási anyagok és a termékek is gázok, mindkét reakcióban 2 mól termék keletkezik, a reakciók exotermek (hőtermelők), reverzibilisek, az apoláris kiindulási anyagokból (kétatomos molekulákból) poláris kovalens kötést tartalmazó termékek keletkeznek, új alkalmas katalizátor hozzáadása felgyorsítja mindkét reakció lefolyását, az egyensúlyt a termékek irányába lehet eltolni a nyomás növelésével, a reakciórendszer hűtésével, a termékek kivonásával, a kiindulási anyagok koncentrációjának növelésével. b) Eltérő jegyek: az első reakcióban 2 mól termék keletkezik 4 mól kiindulási anyagból, a második reakcióban 3 mól kiindulási anyagból, az első reakcióban négyatomos molekulák keletkeznek, a másodikban háromatomos molekulák, a keletkezett molekuláknak eltérő dipólusmomentum-értékük van, a reakcióknak eltérő az aktivációs energiájuk, a reakcióhőjük, a sebességük és az egyensúlyi állandójuk. 2.5 FOSZFOR 1. Szilárd. 2. c, d. 3. 2,10,6  10,1,6. 4. a. 2.6 OXIGÉN 1. a, c, d. 2. Gáz. 3. b, d. 4. a) 2HgO  2Hg + O2, b) 2BaO2  2BaO + O2, c) 2KNO3  2KNO2 + O2, d) 2MnO2 + 2H2SO4 (konc.)  2MnSO4 + 2H2O + O2. 5. b, c. 6. b. 7. c. 8. CaO, Na2O. 9. Ag2O + H2O2  2Ag + + O2 + H2O. 10. Az oxigén oldódik a vízben. 2.7 KÉN 1. b, c. 2. Nem alkot hidrogénhidakat. 3. 2H2S + 3O2  2H2O + 2SO2, 4FeS2 + 11O2  2Fe2O3 + 8SO2. 4. a) H2S + Cl2  S + 2HCl, b) Fe + H2SO4 (híg.)  FeSO4 + H2, c) 2NaOH + H2SO4  Na2SO4 + 2H2O, d) BaCl2 +

173

+ H2SO4  BaSO4 + 2HCl. 5. a) oxidálószer, b) redukálószer, c) redukálószer, d) oxidálószer. 6. a, b, d. 7. b, c, d. 8. Savat, vízbe. 9. Szén-dioxid van benne feloldva, gyenge szénsav vizes oldata keletkezik. 10. a. 11. A5, B3, C6, D2, E1, F4. 2.8 HALOGÉNEK 1. Lefelé az oszlopban: elem: bróm, jód, fluor, klór, halmazállapot: cseppfolyós, szilárd, gáznemű, gáznemű. szín: vörösesbarna, sötétszürke vagy sötétlila, zöldessárga, sárgászöld. 2. A teljes elektronszerkezethez egy elektron hiányzik, igen készségesen felveszik és halogenid ionokat alkotnak. 3. b, c. 4. Tengeri. 5. b, c. 6. Jód, jódozott só. 7. a, d. 8. Fluor-hidrogénsav, klórhidrogénsav. 9. HClO, HClO2, HClO3, HClO4. 10. HF, HCl, HBr, HI. 2.9 NEMESGÁZOK 1. b. 2. A4, B5, C3, D2, E1. 3 d-ELEMEK 1. a, c, e. 2. a) Zn + 2HCl  ZnCl2 + H2, b) ZnO + C  Zn + CO, c) Zn + H2SO4 (híg.)  ZnSO4 + H2, d) Fe+ H2SO4 (híg.)  FeSO4 + H2, e) Fe2O3 + 3C  2Fe + 3CO, f) Cu + 4HNO3 (konc.)  Cu(NO3)2 + 2NO2+ 2H2O, g) 2HgO   2Hg + O2. 3. II, VII, III, II, IV, VI, II, I, VI, VII, V, VI. 4. a, c. 5. d. 6. a) reakció híg savval, b) reakció koncentrált savval. Híg savval reagálva a hidrogén (proton) oxidálószerként lép fel, koncentrált savval reagálva oxidálószerként a kén lép fel VI oxidációs számmal. 7. Például: a) vas, réz, cink, króm, b) réz, ezüst, arany, higany, c) vas, kobalt, nikkel, króm, mangán, d) ezüst, platina, arany. 8. a) higany, b) vas, c) ezüst, d) arany. 9. Vanádium, króm, mangán, vas. 10. Bronz. 11. Sárgaréz. 12. Amalgámok. 13. a) Biztosítja az oxigén szállítását az egész testbe a vérárammal. b) Fe. 14. b, d. 15. a, c, d. 16. A vízmentes réz(II)-szulfát kristályos anyag, amelynek szerkezetében Cu2+ ionok szerepelnek. Ez a szerkezet a fény beesésekor nem okoz az anyagban színt. A fehér vízmentes réz(II)-szulfátot vízben feloldva réz(II)-hexaakva kationok [Cu(H2O)6]2+ keletkeznek, amelyek az oldat kék színét okozzák. Az ismételt kristályosodáskor CuSO4 · 5H2O kristályok keletkeznek, amelyek szerkezetében hidratált ionok lépnek fel [Cu(H2O)6]2+, amelyek az anyag kék színét okozzák. 17. Vas és nikkel. 18. a) Mangán, vas, réz, cink, b) króm, vas, c) mangán, d) vanádium, mangán, e) króm. 19. 18,62 g. 20. 156,4 g. 4 A SZERVES ANYAGOK JELLEMZÉSE ÉS FELOSZTÁSA 1. e, f. 2. a, d. 3. a, b. 4. a) C4H8, b) C6H14, c) C8H14, d) C8H10. 5.

6. b, c. 7. b, d. 8. c. 9. b. 10. a, b, c. 11. szénhidrogének: a, c, h; származékok: b, d, e, f, g. 12. elágazók: c, d; nem elágazók: a, b. 14.

15.

174

Helyes válaszok

16. b, c, d. 5.1 ALIFÁS SZÉNHIDROGÉNEK 1.

2. a. 3.

4.

5. a) 3-metilbut-1-én, b) 3-etilpenta-1,4-dién, c) 2,3-dimetilpent-1-én. 6. c. 7. b. 8. d. 9. c. 10. c. 11. a. 12.

13. b. 14. b. 15.

16. földgáz, kőolaj, kőszén. 17. oktánszámmal. 18.

5.2 AROMÁS SZÉNHIDROGÉNEK 1. b, c, e. 2.

175

3.

4. c. 5. c. 6.1 A SZÉNHIDROGÉNEK HALOGÉNSZÁRMAZÉKAI 1. a) jódetán, b) brómbenzol, c) fluoretilén, d) brómmetán. 2.

3. b, c. 4. a) folyadék, b) folyadék, c) gáz, d) folyadék. 5. c. 6. a, d. 7. d. 8. Károsítják az ózonréteget. 6.2 A SZÉNHIDROGÉNEK NITROGÉNSZÁRMAZÉKAI 1.

2. c. 3. a, b. 4. a) CH3NH2, CH3CH2NH2, b) CH3NHCH3, CH3CH2NHCH2CH2CH3, c) (CH3)3N, (CH3)2NCH2CH3. 5. a) trimetilamin (terc.), b) 2-aminopropán (prim.), c) difenilamin (sek.), d) metilamin (prim.), e) pentán-1,5-diamin (prim.), f) fenil(metil)amin (sek.). 6. c, d. 7. a) 0,11, b) 0,15. 8. 214,8 kg. 6.3.1 HIDROXIVEGYÜLETEK 1. a, b. 2. c. 3. a, f. 4. egyértékűek: b) ciklohexanol, kétértékűek: a) propán-1,2-diol, c) bután-1,4-diol, d) propán-1,2-diol, háromértékű: e) propán-1,2,3-triol. 5. a) harmadrendű, b) másodrendű, c) elsőrendű, d) harmadrendű, e) másodrendű, f) elsőrendű. 6.

7. a. 8. a, d, e. 9. d. 11. a víz addíciója,

6.3.2 ÉTEREK 1. a) etil(metil)éter, b) etil(fenil)éter, c) etil(propil)éter, d) dibutiléter, e) difeniléter, f) dimetiléter. 2. a. 3. A dietilétert sötét helyen vagy sötét üvegekben tároljuk, amelyeket mindig színig töltenek.

176

Helyes válaszok

6.3.3 OXOVEGYÜLETEK 1. a) propanal, b) benzaldehid, c) bután-2-on, d) difenilketon. 2.

3. b, c, d. 4. c, d, f. 5.

6. a, b, c. 7. c, d. 8. Ártalmas gázok belégzésének veszélye fenyeget. 6.3.4 KARBONSAVAK 1. a) HCOOH, b) H3C–CH2–CH2–COOH, c) HOOC–CH2–CH2–CH2–CH2–COOH, d) C6H5COOH, e) H2C=CH–COOH, f) Cl3C–COOH. 2. a) benzol-1,4-dikarboxilsav b) trifluor-ecetsav c) etándisav, d) but-2-énsav, e) pentándisav, f) ciklohexánkarboxilsav 3. a  d  c  b. 4. b, c, e. 5. c, d. 6.

7. A sztearinsav oldható sója keletkezik (nátrium-sztearát). 8. Mivel az aldehidek tulajdonságaival is rendelkezik, mert aldehidcsoportja is van. 9. A szappanok a magasabb szénatomszámú karbonsavak nátrium vagy kálium sói.

177

Irodalom ČÁRSKY, J. et al.: Chémia pre 3. ročník gymnázia. Bratislava : SPN, 1994. 242 o. ISBN 80-08-02327-9. FABINI, J. et al.: Anorganická chémia pre stredné zdravotnícke školy a pre gymnáziá. Bratislava : SPN, 1969. 393 s. FLEMR, V., DUŠEK, B.: Chemie – Obecná a anorganická I. pro gymnáziá. Praha : SPN, 2001. 120 o. ISBN 807235-147-8. GAŽO, J. et al.: Všeobecná a anorganická chémia. Bratislava : Alfa, 1981. 808 o. ISBN 63-557-81. GREENWOOD, N. N., EARNSHAW, A.: Chemie prvků. Praha : Informatorium, 1993. HEGER, J., HNÁT, I., PUTALA, M.: Názvoslovie organických zlúčenín. Bratislava : SPN, 2004. 120 o. ISBN 80-1000346-8. HONZA, J., MAREČEK, A.: Chemie pro čtyřletá gymnázia, 2. díl. Olomouc : Nakladatelství Olomouc, 2005. 226 o. ISBN 80-7182-141-1. HRNČIAR, P.: Organická chémia. 4. vyd., Bratislava : Univerzita Komenského, 1997. 712 o. ISBN 80-223-1161-8. McMURRY, C. M.: Organic chemistry with biological aproach. 2nd ed., Belmont (USA) : Brooks/Cole, Cengage Learning, 2011. 1127 p. ISBN 13 978-0-495-39147-2. JIRKOVSKÝ, R., TRŽIL, J., MAŽÁRIOVÁ, G.: Abeceda chemických prvkov. Bratislava : Alfa, 1980. KMEŤOVÁ, J. et al.: Chémia pre 1. ročník gymnázií. Bratislava : Expol Pedagogika, 2010. 220 o. ISBN 978-808091-174-4. KMEŤOVÁ, J., SKORŠEPA, M., VYDROVÁ, M.: Chémia pre 3. ročník gymnázia so štvorročným štúdiom a 7. ročník gymnázia s osemročným štúdiom. Martin : Vydavateľstvo Matice Slovenskej, 2011. 120 o. ISBN 978-80-8115-042-5. KOLÁŘ, K., KODÍČEK, M., POSPÍŠIL, J.: Chemie II pro gymnáziá (organická a biochemie). Praha : SPN, 2005. 128 o. ISBN 80-7235-283-0. LACZA TIHAMÉR: Bűvös táblázat. A kémiai elemek kultúrtörténete. Dunaszerdahely, Lilium Aurum, 2006 ISBN 80-8062-300-7 MAREČEK, A., HONZA, J.: Chemie pro čtyřletá gymnázia, 1. díl. Olomouc : Nakladatelství Olomouc, 2005. 240 o. ISBN 80-7182-055-5. MAREČEK, A., HONZA, J.: Chemie – Názvosloví organických sloučenin zpracováno podle doporučení IUPAC z r. 1993. 2. vyd., Brno : Proton, 2005. 64 o. ISBN 80-902402-3-2. MELICHERČÍK, M., MELICHERČÍKOVÁ, D.: Vplyv prostredia a účinky látok na ľudský organizmus. Banská Bystrica : FPV UMB, 2010. 345 o. ISBN 978-80-557-0005-2. NAGYOVÁ, I. et al.: Experimentálna anorganická chémia. Banská Bystrica : FPV UMB, 2008. 203 o. ISBN 97880-8083-710-5. PACÁK, J. et al.: Chémia pre 2. ročník gymnázia. 4. vyd., Bratislava : SPN, 1994. 202 o. ISBN 80-08-02324-4. PACÁK, J. et al.: Doplnkové učebné texty pre 3. ročník gymnázií – Deriváty uhľovodíkov (pokračovanie). 2. vyd., Bratislava : SPN, 1985. 43 o. ISBN 80-08-01814-3. PEČOVÁ, D.: Organická chemie pro gymnázia. 2. vyd., Olomouc : Nakladatelství Olomouc, 2005. 128 o. ISBN 80-7182-142-X. PROKŠA, M. et al.: Anorganická chémia. Bratislava : SPN, 2009. 152 o. ISBN 978-80-10-01651-8. SHRIVER, D. F., ATKINS, P. W.: Inorganic Chemistry. Oxford : Oxford University, 1999. STN 1089-3: Farebné označovanie kovových tlakových nádob k doprave plynov pre technické účely. ŠIMA, J. et al.: Anorganická chémia. Bratislava : STU, 2005. 464 o. ISBN 80-227-2272-3. Štátny vzdelávací program ISCED 3A - chémia. Bratislava : ŠPÚ, 2009. VACÍK, J.: Přehled středoškolské chemie. Praha : SPN, 1999. 363 o. ISBN 80-7235-108-7. VACÍK, J. et al.: Chémia pre 1. ročník gymnázia. Bratislava : SPN, 1992. 194 o. ISBN 80-08-02091-1. Výnos MH SR č. 2/2005, ktorým sa mení a dopĺňa Výnos MH SR č. 2/2002 na vykonanie zákona č. 163/2001 Z.z. o chemických látkach a chemických prípravkoch. ZÁHRADNÍK, P., LYSÁ, V.: Organická chémia I. Bratislava : SPN – Mladé letá, 2006. 112 o. ISBN 80-10-00708-0. ZÁHRADNÍK, P., LYSÁ, V., TÓTHOVÁ, A.: Organická chémia II. Bratislava : SPN – Mladé letá, 2007. 128 o. ISBN 978-80-10-00919-0. ZÁHRADNÍK, P., KOLLÁROVÁ, M.: Prehľad chémie 2. Bratislava : SPN, 2002. 322 o. ISBN 80-08-03349-5.

178

A tankönyv törzsanyagába és a laboratóriumi gyakorlatokba besorolt kísérletekben használt vegyületek és veszélyes kémiai anyagok jegyzéke KÉMIAI ANYAG

SZIMBÓLUM

R-MONDAT

acetaldehid aceton

F, Xi

R-11-36-66-67

ammónia – oldat

C, N

R 34-50

benzaldehid benzin butan-1-ol ezüst-nitrát etanol fenol fenolftalein formaldehid fukszin

F, Xn, T C, N F -

n-hexán

F, Xn, N

alumínium por nátrium-hidrogén-karbonát nátrium-hidroxid* kalcium-hidroxid ammónium-klorid nátrium-klorid vas(III)-klorid 1,2-diklórbenzol klóros víz (klór) kloroform* kálium-jodid jód jódmetán benzoesav salétromsav* ftálsav sósav* propánsav ecetsav* kénsav* lakmusz kálium-permanganát réz

F C Xn -

S-MONDAT

S (2-)9-16-26 S (1/2-)26-36/37/39-4561

R 11-20/21-40

S 9-16-23

R 34-50/53 R 11

S (1/2-)26-45-60-61 S (2-)7-16

R 36/37/38

S 26-36

R 11-38-48/20-62-65-67- S (2-) 9-16-29-33-36/3751/53 61-62 R 15-17 S (2-)7/8-43 R 35

S (1/2-)26-37/39-45

R 22-36

S (2-)22

R 22-34-41

S 7/8-26-36/37/39-45

R 23-36/37/38/50 R 22-38-40-48/20/22 R 61-42/43-36/38 R 20/21-50

S (1/2-)-9-45-61 S (2-)36/37 S 45-26-36/37/39 S (2-)23-25-61

R 8-35

S (1/2-)23-26-36-45

C

R 34-37

S(1/2)-26-45

C C

R 10-35 R 35

S (1/2)-23-26-45 S (1/2-)26-30-45

O, Xn, N

R 8-22-50/53 R 10-36/37/38

S (2-)60-61 S 16-22-26-36

T, N Xn Xn, N O, C

179

KÉMIAI ANYAG

SZIMBÓLUM

R-MONDAT

S-MONDAT

karbamid nátrium-formiát nátrium-acetát alumínium-oxid mangán-dioxid kalcium-oxid réz(II)-szulfát pentahidrát pentan-1-ol

R 40-36/37/38

S 26-36-22

Xn Xn Xn

R 20/22

S (2-)25

R 22-36/38 R 10-20-37-66

hidrogén-peroxid*

O, C

R 5-8-20/22-35

S (2-)22 S (2-)46 S (1/2-)17-26-2836/37/39-45

szacharóz kén alumínium-szulfát mangán-szulfát szulfát nátrium szulfán ammónium-szulfid keményítőcsiriz toluol* kalcium-karbonát ammónium-vanadát kálium-nátrium-tartarát cinkpor vas

Xn, N Xn, N F, C F+, T+, N C, N F, Xn, repr. kat. 3

R 48/20/22-51/53 R 22-36/38-50/53 R 14/15-34 R 12-26-50 R 31-34-50

S(2-)22-61 S (2-)22-60-61 S (1/2-)5-8-43-45 S (1/2-)9-16-36-38-45-61 S (1/2-)26-45-61

R 11-38-48/20-63-65-67 R 37/38

S (2-)36/37-62-46 S 26-36

R 10-15

S (2-)7/8-43

-

Magyarázat: * Ezeknek az anyagoknak a koncentráció változásával változnak a veszélyes tulajdonságaik, ezért van koncentrációs határértékük (A SZK GM a 163/2001 sz., a kémiai anyagokról és kémiai készítményekről szóló törvény végrehajtásához kiadott 2/2002 sz. és 2/2005 sz. rendelete). Ha az anyag mellett kötőjel szerepel, az anyag nem szerepel a veszélyes anyagoknak a fenti rendelethez csatolt 1. számú jegyzékében. O – oxidáló anyagok és készítmények, F – nagyon gyúlékony anyagok és készítmények, T – toxikus anyagok és készítmények, Xn – káros anyagok és készítmények, Xi – ingerlő anyagok és készítmények, C – maró anyagok és készítmények, N – környezetre veszélyes anyagok és készítmények. karc. – rákkeltő anyagok és készítmények, muta – mutagén anyagok és készítmények, repr. – a reprodukciót károsító anyagok és készítmények kat. 1 – kimutatott anyag, kat. 2 – valószínű anyag, kat. 3 – lehetséges anyag

180

Magyar–szlovák kisszótár Acél – oceľ acetaldehid – acetaldehyd acetanhidrid – acetanhydrid aceton – acetón addíciók – adície aldehidek – aldehydy alkálifémek – alkalické kovy alkáliföldfémek – kovy alkalických zemín alkánok – alkány alkének – alkény alkil – alkyl alkinek – alkíny alkoholok – alkoholy alumínium – hliník alumínium-acetát – octan hlinitý alumínium-klorid – chlorid hlinitý alumínium-oxid – oxid hlinitý amalgámok – amalgámy aminok – amíny ammónia – amoniak ammónium sók – amónne soli ammónium-cianát – kyanatan amónny ammónium-dikromát – dichróman amónny ammónium-klorid – chlorid amónny ammónium-szulfát – síran amónny anhidridek – anhydridy anilin – anilín antracit – antracén arany – zlato argon – argón aril – aryl átmeneti fémek – prechodné prvky átrendeződés – molekulárny prešmyk Barit – baryt benzaldehid – benzaldehyd benzin – benzín benzoesav – kyselina benzoová benzol – benzén biogén elem – biogénny prvok bróm – bróm butadién – butadién Cement – cement ciánhidrogén – kyanovodík ciklobután – cyklobután ciklohexán – cyklohexán ciklopentán – cyklopentán ciklopropán – cyklopropán cink – zinok cink-oxid – oxid zinočnatý cinnabarit – cinabarit dehidratáció – dehydratácia dehidrogénezés – dehydrogenácia delokalizáció – delokalizácia dihidrogén-foszfátok – dihydrogenofosforečnany dimetiléter – dimetyléter dimetilketon – dimetylketón dinamit – dynamit dolomit – dolomit duralumínium – dural

77 148, 150 145 151 96 141 18 22 100 100 101 100 128 7 31 31 30, 31 72 128 45, 134 45 83 45 48 52 155 134 123 79 69 123 71 97 25 121 116 150 109 8 65 112 43 38 105 106 105 105 80 80 62 97 97 122 50 147 149 144 25 72

Ecet – ocot ecetsav – kys. octová égetett mész – pálené vápno egyes kötés – jednoduchá väzba el nem ágazó szénh. – nerozvetvené uhľov. elágazó szénhidr. – rozvetvené uhľov. elektrofil szubsztitúció – elektrofilná substitúcia elektrolízis – elektrolýza elgázosítás – splynovanie eliminációk enantiomerek – enantioméry észterek – estery észterezés – esterifikácia etán – etán etanal – etanál etándisav – kys. etándiová etanol – etanol etén – etén éterek – étery etil-acetát – octan etylový etilalkohol – etylalkohol etilén – etylén etilénglikol – etylénglykol etin – etin ezüst – striebro Fenol – fenol fiziológiás oldat – fyziologický roztok fluor – fluór fluor-hidrogén sav – kys. fluorovodíková formaldehid – formaldehyd foszfátok – fosforečnany foszfor – fosfor foszfor-pentoxid – oxid fosforečný foszforsav – kys. trihydrogenfosforečná foszgén – fosgén földgáz – zemný plyn freonok – freóny fullerén – fulerén funkciós csoport – charakteristická skupina Galenit – galenit gázolaj – olej plynový gipsz – sadra gipszkő – sadrovec Glauber-só – Glauberova soľ glicerin – glycerol glicerin-trinitrát – glyceroltrinitrát grafit – tuha gyémánt – diamant Gyök – radikál gyökös szubsztitúció – radikálová substitúcia Halit – halit halogének – halogény halogénezés – halogenizácia halogénezett szénhidrogének – halogénuhľovodíky halogénszármazékok – halogénderiváty hangyasav – kys. mravčia hármas kötés – trojitá väzba hegyikristály – krištáľ hélium – hélium

156 153 24 85 93 93, 103 124 12, 29 117 96 91 154 154 102 148 153 111 110 128 154 139 108 139 113 79 139 20 65 42 148 50 8 50 50 38 115 131 33 93 62 117 24 24 22 139 144 33 33 95 108 8 65 97 129 128 153 85 42 69

181

hematit – hematit heteroatom – heteroatóm hexán – hexán hidratálás – hydratácia hidrogén – vodík hidrogénezés – hydrogenácia hidrogén-foszfátok – hydrogenfosforečnany hidrogénhíd – vodíková väzba hidrogén-peroxid – peroxid vodíka hidroxidcsoport – hydroxyskupina Hückel-szabály – Hückelovo pravidlo Inert atmoszféra – inertná atmosféra iniciálás – iniciácia izobután – izobután izoméria – izoméria izooktán – izooktán izoprén – izoprén Jód – jód jodoform – jodoform jodoform (trijódmetán) – trijódmetán Kadmium – kadmium kalcit – kalcit kalcium – vápnik kalcium-hidroxid – hydroxid vápenatý kalcium-karbonát – uhličitan vápenatý kalcium-szulfát – síran vápenatý kálium – draslík kálium-cianid – kyanid draselný kálium-jodid – jodid draselný kálium-permanganát – manganistan draselný kálium-szulfát – síran draselný kalkogének – chalkogény kalkopirit – chalkopyrit kaolin – kaolín karát – karát karbamid – močovina karbonsav – kys. karboxylová kaucsuk – kaučuk kén – síra kén-dioxid – oxid siričitý kénessav – kys. siričitá kénhidrogén – sirouhlík kénhidrogén – sulfán (sirovodík) kénsav – kys. sírová kén-trioxid – oxid sírový képlet – vzorec ketonok – ketóny kettős kötés – dvojitá väzba királis vegyületek – zlúčeniny chirálne klór – chlór klórbenzol – chlórbenzén klórmetán – chlórmetán kloroform – chloroform koksz – koks konfiguráció – konfigurácia konformáció – konformácia konjugáció – konjugácia konstitúció – konštitúcia korom – sadze korrózió – korózia korund – korund kőolaj – ropa

182

76 93 106 97 8. 9 97 50 134 55 138 122 39 107 101 90 116 112 65 129 129 80 24 8 24 24 24 7 38 56, 160 53 31 53 62 43 79 38, 83 128 112 8, 59 60 60 38 59 61 61 88 128 85 91 8 125 129 129 117 89 89 121 89 35 75 30 115

kőolaj-finomító – rafinéria kősó – kamenná soľ kőszén – uhlie krakkolás – krakovanie kristály – kryštál króm – chróm kromátok – chrómany krómkénsav – chromsírová zmes kvarc – kremeň Limonit – limonit Magnetit – magnetit magnezit – magnezit magnézium – horčík malachit – malachit mangán – mangán mangán-dioxid – oxid manganičitý Markovnyikov-szabály – Markovnikovo pravidlo márvány – mramor mészkő – vápenec mészoltás – hasenie vápna metán – metán metanal (formaldehid) – metanál metilalkohol – metylalkohol metilamin – metylamin metilbenzol – metylbenzén Mohr-só – Mohrova soľ Naftalin – naftalén nátrium – sodík nátrium-acetát – octan sodný nátrium-hidrogén-karbonát – hydrogenuhličitan sodný nátrium-hidroxid – hydroxid sodný nátrium-karbonát – uhličitan sodný n-bután – n-bután nemesgázok – vzácne plyny nitrálás – nitrácia nitrátok – dusičnany nitrobenzol – nitrobenzén nitroetán – nitroetán nitrofenol – nitrofenol nitrogén – dusík nitrometán – nitrometán nitrotoluol – nitrotoluén nitrovegyületek – nitrozlúčeniny Nobel, Alfred – Nobel, A. n-pentán – n-pentán nukleofil szubsztitúció – nukleofilná substitúcia Nyílt szénláncú szénhidr. – acyklické uhľov. Odorizálás – odorizácia oktánszám – oktánové číslo olajsav – kys. olejová oltott mész – hasené vápno optikai izoméria – optická izoméria oxálsav – kys. šťavelová oxidáció – oxidácia oxigén – kyslík oxigénezés – oxygenácia oxocsoport – oxoskupina oxónium kation – katión oxóniový oxónium sók – oxóniové soli ózon – ozón ózonréteg – ozónová vrstva Öntvény, öntött vas – liatina

115 8, 22 35, 117 117 8 73 74 74 42 76 76 25 7 79 73 66 111 24 24, 43 24 102 148 143 134 126 75 126 7 154 21 20 21 101 69 97 47 124 135 142 8, 44 135 125 128 144 90 130 93 115 116 156 24 91 83 97, 149 7 97 148 10 142 53 56 72

összegképlet – sumárny vzorec ötvözet – zliatina Palmitinsabv – kys. palmitová paraffinok – parafíny passziválás – pasivácia patina – medenka p-elemek – p-prvky pentán – pentán petrokémia – petrochémia petróleum – petrolej pikrinsav – kys. pikrová pirit – pyrit polariméter – polarimeter polaritás – polarita polietilén – polyetylén polimerek – polyméry polimerizáció – polymerizácia polipropilén – polypropilén polisztirol – polystyrén polivinil-klorid – polyvinylchlorid porcelán – porcelán propán – propán PVC (polivinil-klorid) – PVC Radon – radón reagens – činidlo redukció – redukcia réz – meď réz(I)-oxid – oxid meďný réz(II)-oxid – oxid meďnatý rézgálic – modrá skalica rozsda – hrdza Salétrom – liadok salétromsav – kys. dusičná sárga vérlúgsó – žltá krvná soľ sárgaréz – mosadz savas esők – kyselé dažde s-elemek – s-prvky sólé – soľanka sósav – kys. chlorovodíková (soľná) Szalmiákszesz – salmiak származék – derivát szelén – selén szén (elem) – uhlík szén cseppfolyósítása – karbonizácia szén-dioxid – oxid uhličitý szénhidrogének – uhľovodíky szénhidrogén-származék – deriváty uhľovodíkov szénsav – kys. uhličitá szerkezetek – štruktúry szerkezeti képlet – štruktúrny vzorec szesz – lieh szfalerit – sfalerit sziderit (vaspát) – siderit (ocieľok) szilánok – silány szilícium-dioxid – oxid kremičitý szilikonok – silikóny szóda – sóda sztearinsav – kys. stearová sztirol – styrén szubsztitúció (helyettesítés) – substitúcia szubsztrátum – substrát szulfátok – sírany

88 72 156 107 47, 76 78 28 105 117 117 137 62 92 87 112 112 112 112 126 67,114 43 149 67 69 94 97 73 78 78 62 78 22 47 75 72 48 18, 22 20 66 48 93 62 8, 83 117 36, 118 93, 100 128 36 121 88 143 62 76 42 42 41 21 156 123 96 94 62

szulfitok – siričitany Telítetlen szénhidr. – nenasýtené uhlľov. telítetlen vegyület – nenasýtená zlúčenina telített szénhidr. – nasýtené uhľov. telített vegyület – nasýtená zlúčenina termináció – terminácia tetrafluor-etilén – tetrafluóretylén tetraklór-metán (szén-tetraklorid) – tetrachlórmetán timsók – kamence toluol – toluén trágya – hnojivo trícium – tritium triklórmetán – trichlórmetán trinitro-fenol – trinitrofenol trinitro-toluol (TNT) – trinitrotoluén tűzoltó készülék – hasiaci prístroj Üveg – sklo üvegházhatás – skleníkový efekt üvegmaratás – leptanie skla Vajsav – kys. maslová vanádium – vanád vas – železo vas(II)-oxid – oxid železnatý vas(II)-szulfát – síran železnatý vas(II)-szulfid – sulfid železnatý vas(III)-klorid – chlorid železitý vas(III)-oxid – oxid železitý vasgálic – zelená skalica vasgyártás – výroba železa vegyérték, érték – väzbovosť vegyület – zlúčenina vinilalkohol – vinylalkohol vinilbenzol – vinylbenzén vinil-klorid – vinylchlorid víz – voda vízgáz – vodný plyn vízkeménység – tvrdosť vody vízkő – vodný kameň vörös vérlúgsó – červená krvná soľ Zajcev-szabály – Zajcevovo pravidlo zárt szénláncú szénhidr. – cyklické uhľov.

60 94, 100 85 94, 100 85 107 129 129 32 121 52 9 129 137 137 39 42 37, 118 42 156 73 7, 8, 77 75 75 60 75 75 62 76 87 91 114 123 114 13, 15 12 14 14 75 131 93

183

a négyosztályos gimnázium 2. és a nyolcosztályos gimnázium 6. osztálya számára Jarmila Kmeťová Marek Skoršepa Peter Mäčko

a négyosztályos gimnázium 2. és a nyolcosztályos gimnázium 6. osztálya számára

ISBN 978-80-8091-279-6 Ez a tankönyv a Szlovák Köztársaság Oktatási, Tudomány-, Kutatásügyi és Sport Minisztériuma támogatásával készült.

2012